Contribution to energy conversion in micro steam power plants in non-temperate climates Contribution à la conversion d’énergie dans les microcentrales à vapeur en climat non-tempéré

Organic Rankine Cycle (ORC) can convert a low-grade energy into electricity. The main objective of this work was to propose an ORC architecture which can effectively convert solar energy simultaneously into electricity and cooling in a hot, non-temperate climate. Specifically, the aim was to configure the ORC architecture, select a working fluid suitable for converting solar energy, assess energy and exergy performance, and evaluate economic and environmental performance. The first step was to use an analytical method based on simple equations for mass and heat transfer. This method also includes models for calculating component costs and CO2 emissions. A numerical method was then used to develop the calculation codes and numerical simulations. EES (Engineering Equation Solver) software was used. The results show that the configured system based on a two-stage regenerative ORC architecture in series combined with a vapour compression cycle, called the R-TSORC/CCV system, can efficiently convert solar energy into electricity and cooling simultaneously. Economically, the R-TSORC/CCV system is more efficient than similar systems operating at the same temperature limits. In addition, the system has proven to be more efficient than the systems used by Cameroonian industrial companies for the electricity self-generation. From an environmental viewpoint, the R-TSORC/CCV system makes a significant contribution to reducing CO2 emissions into the atmosphere, with significant carbon tax benefits. Under typical operating conditions, with an average daily solar irradiation of 4.76 kWh/m²-day, the R-TSORC/CCV system produces approximately 167.6 kW of electricity and 1179 kW of cooling, corresponding to an energy production cost of $12.19/GJ, a payback period of 3.11 years and a return on investment of 9.16. In addition, CO2 emissions were reduced by almost 20,190 tonnes, which equates to an annual carbon tax saving of $292,787. L'utilisation d'un cycle organique de Rankine, de l’anglais Organic Rankine Cycle (ORC) permet de convertir une énergie de faible qualité en électricité. L'objectif général de ce travail était de proposer une architecture ORC capable de convertir efficacement l'énergie solaire simultanément en électricité et en froid dans un climat chaud et non tempéré. Plus précisément, il s’agissait de configurer l’architecture ORC, de sélectionner un fluide de travail adapté à la conversion de l’énergie solaire, d’évaluer les performances énergétiques et exergétiques, et d’évaluer les performances économiques et environnementales. Pour ce faire, une méthode analytique a d’abord été utilisée, basée sur des équations simples régissant les transferts de masse et de chaleur. Cette méthode prend également en compte les modèles de calcul des coûts des composants et les émissions de CO2. Ensuite, une méthode numérique a été utilisée pour élaborer les codes de calcul et les simulations numériques. Le logiciel EES (Engineering Equation Solver) a été utilisé. Les résultats montrent que le système configuré basé sur une architecture ORC régénérative à deux étages en série combinée à un cycle à compression de vapeur, appelé système R-TSORC/CCV, peut convertir efficacement l’énergie solaire simultanément en électricité et en froid. D’un point de vue économique, le système R-TSORC/CCV s’est avéré plus compétitif que des systèmes similaires fonctionnant dans les mêmes limites de température. De plus, ce système s’est avéré plus compétitif que les systèmes utilisés par les entreprises industrielles camerounaises pour l’autoproduction d’électricité. D’un point de vue environnemental, le système R-TSORC/CCV contribue d’une manière significative à la réduction des émissions de CO2 dans l’atmosphère, avec des avantages significatifs en termes de taxe carbone. Dans des conditions de fonctionnement typiques, avec une irradiation solaire quotidienne moyenne de 4,76 kWh/m²-jour, le système R-TSORC/CCV produit environ 167,6 kW d’électricité et 1179 kW de froid, ce qui correspond à un coût de production d’énergie de 12,19 $/GJ, à une période d’amortissement de 3,11 ans et à un taux de retour sur investissement de 9,16. En outre, les émissions de CO2 ont été réduites de près de 20190 tonnes, ce qui représente annuellement une économie de 292.787 $ au titre de la taxe carbone.