Instrumentation et suivi d un groupe électrogène fonctionnant en bicarburation dans la commune de Barsalogho

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Instrumentation et suivi d un groupe électrogène fonctionnant en MEMOIRE POUR L OBTENTION DU MASTER D INGENIERIE ENERGIE OPTION : GENIE ENERGETIQUE ET ENEGIE RENOUVELABLE
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Instrumentation et suivi d un groupe électrogène fonctionnant en MEMOIRE POUR L OBTENTION DU MASTER D INGENIERIE ENERGIE OPTION : GENIE ENERGETIQUE ET ENEGIE RENOUVELABLE Présenté et soutenu publiquement le 18/10/ par Emmanuel NJAKOU NOULALA Travaux dirigés par : Dr. Sayon SIDIBE (LBEB) Dr. François PINTA (CIRAD/2IE, LBEB) CENTRE COMMUN DE RECHERCHE ENERGIE ET HABITAT DURABLE (CCR-EHD) Jury d évaluation du stage : Président : Dr. Daniel YAMEGUEU Membres et correcteurs : Ing. Madieumbé GAYE Dr. Sayon SIDIBE Dr. François PINTA Promotion [2012/] Institut International d Ingénierie Rue de la Science - 01 BP Ouagadougou 01 - BURKINA FASO Tél. : (+226) Fax : (+226) Mail : - Dédicace A L éternel DIEU tout puissant sans qui rien n est possible. A mon père M. NOULALA Josué. A ma mère Mme NOULALA Anne. A mes frères et sœurs, CHOULA Alvine, NGANYO Stéphane, LOWE NOULALA Daniel. II Remerciement Je tiens à remercier ici toutes ces personnes qui m ont soutenu de près ou de loin dans le cadre de ce travail, à savoir : - Dr Joël BLIN, pour m avoir ouvert les portes du laboratoire LBEB. - Dr Sayon SIDIBE et Dr François PINTA pour les conseils et l encadrement. - M. Boris JAVEAU, M. Barthelemy SEMDE et tout le personnel de l Association Impulsion pour m avoir accueilli au sein de leur structure. - M. Bruno PECHINE et M. Eric NANTEAU pour les conseils et la formation apportée sur l instrumentation et le suivi des GE. - M. ODILON et tout le personnel du LBEB pour leurs conseils. - Toute ma famille, cousins oncles et tantes. - Toute la famille WETHE pour leur hospitalité et tout leur soutien inconditionnel. - Mes Amis Bertrand DONFACK, Decroly DJOUMBISSI, Alfred TALOM. - Mes collègues stagiaires du CCREHD : Ahmed LIMAN, Franck ONDO, Brahim ABDALA, Catherine SONFACK, Amadou TALL, Aristide DEJAN, Jalilou ZAKANE, Ted DOSSA, Manu SESHIE. - Toute la promotion master Energie 2011/ III Résumé La preuve de l utilisation des huiles végétales pures (HVP) comme carburant dans les moteurs Diesel a déjà été faite en laboratoire. Mais malheureusement, il manque énormément de données pour un fonctionnement de longue durée et en site réel des moteurs Diésel, avec comme carburant les HVP. Le document suivant traite du fonctionnement à longue durée et en site réel, de groupes électrogènes utilisant comme carburant l huile de Jatropha, dans le cadre d un projet d électrification rural. Cette étude a été effectuée au Burkina Faso, dans la commune de Barsalogho et au sein de l Association Impulsion. Dans le cadre de cette étude, deux méthodes d utilisation des HVP seront étudiées, à savoir : la bicarburation et le mélange. Deux groupes électrogènes (GE) seront utilisés dans le cadre de ces essais, à savoir : - Un GE de marque GARENI d une puissance de 65 kva, et possédant son propre système de bicarburation livré par le constructeur. - Un GE de marque SDMO d une puissance de 65 kva. Il sera effectué un essai de 139h de fonctionnement en bicarburation sur le GE de marque GARENI et un essai de 55 h en mélange sur le GE de marque SDMO. Lors de ces essais, du gazole et de l huile de Jatropha seront utilisés comme carburant. Par comparaison à l usage traditionnel de gasoil seul, les essais de fonctionnement au mélange HVP/gasoil (30/70%), on observe une augmentation de 15% de la consommation spécifique, ainsi qu une diminution du rendement énergétique de 11%. Afin de détecter les sources des différentes pannes observées lors des essais, les paramètres physicochimiques des HVP (acidité, taux de sédiment, ) ont été analysés. Ces résultats ont permis de recommander une meilleure filtration des particules et la correction de l acidité (neutralisation). Mots clés : Huile de Jatropha, caractéristiques huile Jatropha, Groupe électrogène, essai longue durée. IV Abstract Demonstrate the use of HVP as fuel in diesel engines has already been made in the laboratory. Unfortunately, it lacks a lot of data for long-term operation and actual site of Diesel engines with fuel as the HVP. The following paper discusses the operation and long-term real site generators using fuel as Jatropha oil as part of a rural electrification project. This study was conducted in Burkina Faso, in the commune of Barsalogho and in the Association Impulsion. In this study, two methods of using the HVP will be studied, namely: bi-carburation and mixing. Two GE will be used in these trials, namely: - A GE brand GARENI a power of 65 kva, with its own system of bi-carburation delivered by the manufacturer. - A GE brand name SDMO a power of 65 kva. It will be made a test 139h of operation bi on GE brand GARENI and test 55 h mixed on GE SDMO brand. During these tests, diesel and Jatropha oil will be used as fuel. Compared to the traditional use of diesel fuel alone, the test for the functioning in a mixture HVP / diesel (30/70%), there was a 15% increase in specific fuel consumption, and a decrease in efficiency of 11%. To detect causes of different breakdown observed during the test, physicochemical parameters HVP (acidity levels of sediment...) were analyzed. These results were used to recommend a better particle filtration and correction of acidity (neutralization). Keywords: Jatropha oil, Jatropha oil characteristics, Generator, long-term trial. V Liste des abréviations 2iE : Institut International d Ingénierie de l Eau et de l Environnement. CIRAD: Centre International de Recherche Agronomique et de Développement CO: Monoxyde de Carbone CO2 : Dioxyde de Carbone Cs : Consommation spécifique HC : Hydrocarbure HVP : Huile Végétale Pures Is : Indice de saponification KVA : Kilo volt ampère KVAr : Kilo volt ampère réactif KW : Kilo Watt LBEB : Laboratoire Biomasse Energie et Biocarburant Mcarb : Masse de carburant NOX: Oxydes d azote P : Puissance PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur ppm : Partie par million Q : Puissance réactive TOR : Tout ou rien VI VII Sommaire Dédicace... II Remerciement... III Résumé... IV Abstract... V Liste des abréviations... VI Sommaire... VIII Liste de tableaux... XI Liste de figures... XII 1. Introduction Contexte et enjeux Objectifs de l étude... 1 CHAPITRE 1 : Présentation de l Association Impulsion Généralité sur l Association Impulsion Unité d extraction de l huile végétale Centrale électrique de Barsalogho... 4 CHAPITRE 2 : Synthèse bibliographique Les huiles végétales Influences liées à l utilisation des huiles dans les moteurs diesels Influence de la viscosité de l huile Influence des paramètres chimiques de l huile Solutions aux problèmes d utilisation des huiles végétales dans des moteurs diesels Mélange des huiles végétales avec le gazole à des proportions différentes Modifications des chambres de combustion Adaptation type «bicarburation» sur les moteurs Quelques essais d endurance d HVP dans les moteurs diesels comme carburant Moteur à injection directe Moteur à injection indirect CHAPITRE 3 : Méthodologie CHAPITRE 4 : Instrumentation du groupe électrogène Etablissement du tableau de liste de voie VIII 2. Choix du matériel nécessaire à l instrumentation Raccordement et installation des différentes composantes de notre instrumentation Programmation des différentes composantes de notre instrumentation Effectuer la recette de notre instrumentation CHAPITRE 5 : Utilisation des HVP dans les groupes électrogènes Matériels et méthode Méthodes Matériels Résultats et discussions Détermination des conditions d essais Utilisation d HVP comme carburant à Barsalogho CHAPITRE 6 : Caractérisation des paramètres physico-chimiques de l échantillon d huile de Jatropha de l Association Impulsion à Barsalogho Matériels et méthode Méthodes Matériels Résultats et discussions Huile de Jatropha (Hj11a) CHAPITRE 7 : Application de quelques solutions proposées pour améliorer la qualité de HVP Matériels et méthode Méthodes Matériels Résultats et discussions Conclusions Perspectives Références bibliographiques Annexes... xliv Annexe 1 : Moteur diesel... iii Annexe 2 : Proposition d un plan de maintenance et d exploitation de la centrale de GOUDOUCE... ix Annexe 3 : Programmation des différentes composantes de notre instrumentation... xxxiv Annexe 4 : Programme d essais détaillé... xl IX Annexe 5 : Instrumentation... xlvi Annexe 6 : Proposition d un processus de neutralisation... li Annexe 7 : Exemple de filtre 10 microns pour filtration de sécurité... liv Annexe 7 : Raccordement et installation des différentes composantes de notre instrumentation... lvi X Liste de tableaux Tableau 1 : Liste de voie de mesure 15 Tableau 2 : Caractéristique du moteur 20 Tableau 3 : Données électriques moyennes durant les éssais 22 Tableau 4 : Paramètres fondamentales pour une bonne HVP carburant (S.S. Sidibe, 2010) 33 Tableau 5 : Résultats d'analyse des huiles de Jatropha 33 Tableau 6 : Résultats de l'analyse de l'huile de Balanites après l'application de la solution 1 37 Tableau 7: Tableau comparatif entre le moteur diesel et le moteur à essence (Sovanna, 2004) iv XI Liste de figures Figure 1 : Processus de production d'huile 2 Figure 2 : Concasseuse 3 Figure 3 : La presse 3 Figure 4 : Le filtre à plaque 4 Figure 5 : Bidon de stockage 4 Figure 6 : Centrale électrique du marché 5 Figure 7 : Centrale électrique de Goudouce 5 Figure 8 : Evolution de la viscosité en fonction de la température 6 Figure 10 : Gaz rejeté avec T 500 C, 7 Figure 9 : Gaz rejeté avec T 500 C, 7 Figure 11 : Délai d inflammation en fonction du carburant : a) T 500 C et b) T 500 C 7 Figure 12 : a)conception CAO des modifications. b) Exemple de réalisation. c) Piston modifié 8 Figure 13 : Principe de la bicarburation 9 Figure 14 : Méthodologie du travail 13 Figure 15 : les différentes étapes de notre instrumentation 14 Figure 21: câblage du coffret pour acquisition de données 16 Figure 22 : instrumentation du groupe électrogène 16 Figure 23 : Groupe électrogène SDMO de 65 kva Erreur! Signet non défini. Figure 24 : Evolution de la puissance active dans le temps 20 Figure 25 : Pourcentage de charge du groupe dans le temps 21 Figure 26 : Evolution de la charge tout au long des essais 22 Figure 27 : Evolution de la température ambiante dans le temps 23 Figure 28 : Pompe à injection rotative 24 Figure 29 : Groupe électrogène GARENI 65 kva 25 Figure 30 : Seau utilisé pour l'appoint de carburant Erreur! Signet non défini. Figure 31 : Consommation spécifique en fonction de la charge 26 Figure 32 : Rendement énergétique du groupe en fonction de la charge 26 Figure 33 : Consommation spécifique pour un pourcentage de charge du groupe égale à 10% 27 Figure 34 : Rendement pour un pourcentage de charge du groupe égale à 10% 28 Figure 35 : Fuite d'huile de lubrification à travers les orifices du moteur 29 Figure 36 : Filtre à plaque et presse à vis 37 Figure 37 : Rudolf Diesel iii Figure 38 : Vue d'un moteur diesel v Figure 39 : Injection directe Figure 40 : La chambre de tourbillon d'air vi Figure 41 : Moteur à chambre de précombustion vii Figure 42 : Chambre de turbulence Ricardo vii Figure 43 : Chambre Saurer et Système Lanova viii Figure 44 : interface pour configuration TRIAD xxxv Figure 45 : Fenêtre d'entrée de produit xxxv XII Figure 46 : Diagramme de Fresnel xxxvi Figure 47 : Exemple d'affichage des mesures en instantanées sous forme numérique (droite) et sous forme de galvanomètre xxxvi Figure 48 : interface de visualisation (gauche) et de programmation (droite) des voies de l'e. Reader xxxviii Figure 49 : Affichage de mesures instantanées sous forme de courbe xxxviii Figure 50 : Alimentation d'énergie et raccordement d'autobus de l'e. Reader xxxix Figure 51 : Tableau de liste de voies xliv Figure 52 : Chaine de mesure (Nanteau, ) xlvi Figure 53 : Raccordement capteur passif et actif (Nanteau, ) xlviii Figure 54 : Processus de neutralisation li Figure 55 : Schéma prototype du matériel à mettre à place pour la neutralisation de l'hvp lii Figure 56 : Filtre gravitaire liv Figure 57 : filtre à cartouche (gauche) ; cartouche de filtre (droite) lv Figure 16 : Sonde Pt100 lvi Figure 17 : Chaine de mesure Pt100 lvi Figure 18 : Chaine de mesure thermocouple lvii Figure 19 : chaine de mesure débitmètre lvii Figure 20 : Chaine de mesure TRIAD 2 lviii Figure 21: câblage du coffret pour acquisition de données lviii Figure 22 : instrumentation du groupe électrogène lix XIII 1. Contexte et enjeux Introduction La plupart des projets biocarburant en Afrique sont en filière de proximité. Ce sont des projets qui ont pour but le développement des zones rurales à travers l accès à l énergie. L utilisation d huiles végétales pures dans des moteurs diesels stationnaires (groupe électrogène, force motrice, pompageirrigation, ) est, du fait de sa simplicité de mise en œuvre, la voie la plus développée. Cependant cela nécessite une adaptation des moteurs diesels. Un kit de bicarburation permet le fonctionnement du moteur à l huile végétale pure une fois que celui-ci a atteint son régime de fonctionnement à haute charge, limitant les problèmes d alimentation en carburant et de combustion rencontrés à faible régime lorsque le moteur est froid. Il a été démontré en laboratoire que les moteurs diesels peuvent fonctionner avec les HVP soit en mélange avec le fuel ou directement comme carburant. Aujourd hui, on manque de recul par rapport aux tests de longue durée d une part et en site réel d autre part. Il est prévu dans le cadre du projet financé par l Union Européenne de faire des tests de longue durée pour accumuler les données sur les problèmes éventuellement rencontrés. Le site de Barsalogho à 145 km au Nord-est de Ouagadougou (Burkina Faso) a été identifié pour la réalisation des essais d endurance de fonctionnement de groupe électrogène avec un HVP. L Association Burkinabé «Impulsion» y est implantée et travaille à la fois dans la production de l électricité et l adduction en eau. «Impulsion» dispose de deux centrales thermiques équipées chacune respectivement de 2 groupes de 220 kva et 65 kva, en fonctionnement continus. Chacun de ces groupes possèdent 3 départs alimentant la ville de Barsalogho. L Association «Impulsion» a déjà prévu dans le cadre de leur développement de faire fonctionner leurs centrales avec l huile végétale, donc «Impulsion» est directement intéressé par les résultats des différents essais. 2. Objectifs de l étude Le présent travail a pour but de recueillir et analyser des données longues durées, et en site réel pour moteur diesel fonctionnent en bicarburation et en mélange à 30% d HVP. De façons spécifiques, il s agit : - Instrumenter les moteurs et Interpréter les données, - Recherche des causes des pannes et problèmes, - De proposer et mettre en place la solution d utilisation de HVP la mieux adaptée pour le moteur (bicarburation, mélange, ). 1 CHAPITRE 1 : Présentation de l Association Impulsion Dans ce chapitre, nous présenterons la structure d accueil «Association Impulsion» où nous avons effectué le stage. Nous y présenterons aussi le processus de transformation des graines en huile, ainsi que les différentes centrales thermiques se trouvant dans le village de Barsalogho. 1. Généralité sur l Association Impulsion Impulsion, est une association burkinabé créée en Elle a pour mission de développer des activités économiques à visée sociale. Impulsion travaille sur deux axes : Equiper la population rurale en services de base (éducation, eau, soins de santé, électricité,.) et mettre en place des systèmes de gestion efficients de ceux-ci. Accompagner et viabiliser des projets à caractère rémunérateur. Un des effets recherché à long terme, est une plus grande indépendance des populations bénéficiaires et donc une diminution de leur vulnérabilité. Pourquoi? Pour assurer la durabilité d infrastructures d utilité publique telles que la distribution d eau et la distribution d électricité. Il est nécessaire de mettre en place un système de gestion économique efficient, basé notamment sur une contribution financière minimale des bénéficiaires. Or, en zones rurales, les ressources financières et le travail rémunéré sont extrêmement rares et limités. 2. Unité d extraction de l huile végétale L association Impulsion possède en son sein une petite unité de production d huile végétale. Jusqu en juin, elle ne produisait que de l huile de Jatropha, mais vu la difficulté de se procurer les graines de Jatropha sur le marché, elle s est lancée dans la production de l huile de balanites. Graines Concassage - Nettoyage - Séchage Concasseur Moteur indien Pressage Presse Filtration Filtre à plaque Stockage Bidon de 200L Figure 1 : Processus de production d'huile 2 Nettoyage Cette phase constitue la première étape de production d HVP. Elle consiste à un tamisage des graines et au besoin un tri manuel et dépulpage. Séchage Après le nettoyage, les graines sont séchées au soleil afin de diminuer au maximum leur humidité. Concassage Cette étape ne s applique qu aux graines de Balanites. Car, il faut noter que contrairement aux graines de Jatropha, les graines de Balanites possèdent une coque très solide impossible à broyer par la presse. Pressage Figure 2 : Concasseuse Après nettoyage et séchage, les graines sont pressées. Le pressage s effectue à l aide d une presse et d un moteur indien pour l apport d énergie. A la suite du pressage, dans un premier temps, de l huile se dépose dans le bac de rétention de la presse, et dans un deuxième temps nous récupérons des tourteaux sur la presse.. Figure 3 : La presse 3 Filtration L étape de filtration est une étape très importante, car elle permet de retirer un maximum de résidus de l huile extraite. Pour le faire ici, l HVP est passée dans le filtre à plaque. Stockage Figure 4 : Le filtre à plaque Le stockage est la phase finale de la production de l HVP. Dans le cas de l association Impulsion, le stockage se fait dans des bidons de 250 L. Figure 5 : Bidon de stockage 3. Centrale électrique de Barsalogho Actuellement, l Association Impulsion possède 2 centrales électriques, raccordé chacun à un réseau. La première centrale qui se trouve au grand marché de Barsalogho et qui fonctionne de 08h00 à 13h00 et de 18h00 à 24h00, possède 3 groupes électrogènes : Un groupe SDMO de 85 kva actuellement en panne ; Un groupe de 130 kva GARENI fonctionnel. Ce groupe n est pas raccordé au réseau du marché, mais il est utilisé comme groupe de secours ; 4 Un groupe SDMO de 220 kva. C est ce groupe qui alimente actuellement tout le réseau du marché et une grande partie de la ville ; Figure 6 : Centrale électrique du marché La deuxième centrale qui se trouve dans le quartier GOUDOUCE, qui fonctionne de 08h00 à 13h00 et de 18h00 à 23h00, possède 2 groupes électrogènes : Un groupe SDMO de 65 kva. Ce groupe alimente actuellement tout le réseau de GOUDOUCE (c est ce groupe sur lequel les essais ont été effectué) ; Un groupe GARENI de 65 kva actuellement en panne ; Figure 7 : Centrale électrique de Goudouce 5 CHAPITRE 2 : Synthèse bibliographique 1. Les huiles végétales Les substances à partir desquelles sont produites les huiles sont soit des graines, des amandes ou des fruits. L huile est extraite par des procédés plus ou moins complexes dans des usines de trituration ou des huileries artisanales. En fait, les graines, tous les fruits et toutes les amandes contiennent de l huile, mais seuls sont appelés oléagineux ceux qui servent à produire industriellement de l huile et qui sont cultivés dans ce but. Parmi les graines de plantes cultivées pour leur huile, les plus connues sont : l arachide, le colza, le ricin, le tournesol, le coton et le lin. Quant aux fruits oléagineux et aux amandes,
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