Édition 2022-2023 du livre "Systèmes Énergétiques"

Introduction générale

Genèse du livre

Nous avons développé au cours des trente-cinq dernières années une nouvelle pédagogie de la thermodynamique appliquée à la conversion thermodynamique de l'énergie aujourd'hui utilisée dans plus de cent vingt établissements d'enseignement supérieur, tant en licence qu'en maîtrise (écoles d'ingénieurs, universités) ainsi qu'en formation professionnelle.

Le développement de cette nouvelle pédagogie a été rendu possible grâce au soutien moral et financier de l’École des Mines de Paris, du Groupe des Écoles des Mines au début des années 2000, et enfin d'UNIT après 2005, que nous ne remercierons jamais assez pour leur appui.

Édition de 2001

Le processus d'élaboration de cette nouvelle pédagogie a été long car il nous a fallu inventer et mettre au point de nombreuses ressources numériques et les tester auprès de diverses catégories d'apprenants.

Les différentes éditions de nos ouvrages sur les systèmes énergétiques reflètent l'évolution de notre pédagogie.

La première édition, qui date de 2001, jetait les fondements de notre recours à l'utilisation du simulateur Thermoptim pour décharger nos élèves des difficultés calculatoires et adopter une approche système dans l'élaboration des modèles des technologies énergétiques.

Édition de 2009

La seconde édition, publiée en 2009, élargissait le nombre des systèmes abordés et complétait la première par des approfondissements conséquents sur les extensions de Thermoptim par des classes externes et par des études de dimensionnement technologique et de fonctionnement en régime non nominal.

Développée initialement dans le cadre de nos enseignements à l'école des Mines de Paris, notre approche s'est révélée intéresser une audience beaucoup plus large, non seulement au niveau universitaire, mais aussi pour la formation d'apprenants ne disposant pas d'un bagage scientifique aussi conséquent que nos élèves, comme par exemple les opérateurs de conduite de systèmes propulsifs et des installations de réfrigération et de climatisation de la Marine nationale ou bien des professionnels en formation continue.

Nous avons donc cherché après 2010 à alléger le plus possible le contenu scientifique de l'enseignement, l'accent étant mis sur la compréhension des phénomènes physiques plutôt que sur l'étude des équations qui les décrivent et que ces derniers apprenants ne mettent jamais en application par eux-mêmes.

Parallèlement, de nouveaux outils ont été mis au point à l'occasion de la préparation de nos deux MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur (CTC), afin que les apprenants puissent travailler de manière autonome, l'encadrement étant nécessairement réduit dans ce contexte.

Il s'agit en particulier des explorations dirigées de modèles réalisés avec Thermoptim qui permettent aux apprenants de s'initier de manière progressive à la modélisation de nombreux systèmes énergétiques.

Édition de 2022-2023

L'ensemble de ces réalisations a débouché sur une évolution de notre approche pédagogique intégrant ces nouveaux outils ainsi que ce souci d'alléger le plus possible les prérequis scientifiques, ce qui nous a conduit à parler de présentation pédagogique allégée.

Il en résulte que notre approche pédagogique peut aujourd'hui se décliner selon trois modes complémentaires en fonction du niveau scientifique des apprenants.

Le premier mode, la présentation allégée, répond aux besoins de ceux qui disposent d'un bagage scientifique réduit, et donc ne fait appel ni à l'entropie ni à l'exergie. Les exercices pratiques utilisent les explorations dirigées de modèles simples, et le seul type de diagramme thermodynamique utilisé est le diagramme enthalpie-pression. Il s'agit typiquement du cours proposé dans nos MOOC CTC.

Le second mode, que l'on peut qualifier de progressif, s'adresse à des apprenants en licence ou à des professionnels en activité, pas particulièrement motivés par les aspects théoriques tout en étant capables de les suivre s'il le faut. Il commence par la présentation allégée que l'on complète en introduisant une démarche d'amélioration des cycles s'appuyant la comparaison avec le cycle de Carnot dans le diagramme entropique et sur les bilans exergétiques. Les exercices pratiques utilisent les explorations dirigées de modèles ainsi que quelques séances Diapason de formation à distance sonorisées (DIAporama Pédagogiques Animés et SONorisés).

Le troisième mode est destiné à des élèves en master ou école d'ingénieurs familiers des développements théoriques. Il se distingue des précédents par trois points :

  • Tout d'abord, ces élèves sont habitués à une présentation « cartésienne » et disciplinaire de leurs enseignements, et rien ne s'oppose à ce que l'on commence par leur présenter toute la théorie avant de passer aux applications ;

  • Ensuite, comme pour eux l'utilisation de l'entropie ne pose aucun problème, on peut très rapidement introduire les diagrammes entropiques (T,s) ou de Mollier (h, s) ainsi que l'exergie et les bilans exergétiques ;

  • Enfin, l'utilisation de Thermoptim se fait à la fois sous forme d'exploration et de construction de modèles.

La démarche d'amélioration des cycles s'appuyant sur les bilans exergétiques et sur la comparaison avec le cycle de Carnot peut aussi constituer dans le troisième mode le fil directeur d'analyse des variantes des cycles simples. Les exercices pratiques utilisent soit les explorations dirigées, y compris celles faisant appel aux fonctionnalités avancées de Thermoptim, soit les séances Diapason où les apprenants construisent par eux-mêmes leurs modèles.

La nouvelle édition de cet ouvrage peut servir de support de cours pour les deux premiers modes, celle de 2009 comportant des compléments relevant davantage du troisième.

Elle diffère donc assez profondément des précédentes. Les développements théoriques ont été fortement réduits et certains chapitres entièrement supprimés. La présentation des variantes des principales technologies énergétiques suit un fil directeur qui n'était pas auparavant souligné : la réduction des irréversibilités qui prennent place dans leurs composants ainsi que globalement.

Chacun de ses trois tomes voit ainsi son nombre de pages réduit de près de 30 %. Précisons que cette nouvelle édition a été précédée d'une version en langue anglaise en un seul tome, publiée par CRC Taylor & Francis en août 2021.

Présentation d'ensemble

La nouvelle édition du livre Systèmes Energétiques propose une approche de la thermodynamique appliquée aux systèmes énergétiques très différente de celles qui sont généralement adoptées, qui convient bien mieux à des apprenants n'ayant pas une formation significative en mathématiques et en physique.

Les développements théoriques sont volontairement limités au strict minimum, au profit d'explications technologiques et d'études de modèles réalistes résolus en utilisant un environnement logiciel à la fois puissant et relativement simple d'utilisation, qui permet d'obtenir des résultats extrêmement précis.

Les exemples sont traités avec le progiciel Thermoptim, du fait qu'il est disponible et que sa version de démonstration gratuite suffit à les modéliser, mais des modèles similaires pourraient être réalisés avec d'autres outils sans que la pertinence de notre démarche ne soit remise en cause.

Tout au long du livre nous donnons des explications technologiques détaillées sur le fonctionnement des machines, car il nous semble fondamental que les apprenants comprennent les contraintes techniques existantes, faute de quoi ils risquent de raisonner de manière déconnectée de la réalité.

Structure du livre

Le livre comporte trois tomes pour un total d'environ 680 pages :

  • Le premier tome commence par une initiation à la discipline : découverte des fonctions mises en jeu dans les composants des cycles élémentaires, des évolutions de référence subies par les fluides, tracé des cycles dans le diagramme (h, ln(P)), dit des frigoristes, modélisation avec Thermoptim. Dans un second temps, il introduit de puissants concepts qui seront utilisés dans les deux autres tomes : calculs de combustion, échangeurs de chaleur, définition de l'entropie et de l'exergie, bilans exergétiques, méthode du pincement ;

  • Il est ensuite possible, dans le deuxième tome consacré aux installations thermodynamiques classiques, de montrer aux apprenants comment ils peuvent utiliser ces outils puissants pour améliorer les performances des systèmes simples étudiés auparavant. Les principaux cycles utilisés sont successivement présentés, toujours illustrés par de nombreux modèles résolus avec Thermoptim et une vingtaine d'explorations dirigées ;

  • Enfin, le troisième tome traite des systèmes innovants à faible impact environnemental, et permet aux apprenants de découvrir de nombreux cycles novateurs, utilisables avec une grande variété de sources d'énergie et pour de multiples applications.

Premier tome

Le premier tome est subdivisé en deux parties.

Après un chapitre qui présente le nouveau paradigme pédagogique, nous commençons par introduire dans la première partie les concepts essentiels qu'il faut comprendre pour étudier les cycles de trois technologies énergétiques de base : la centrale à vapeur, la turbine à gaz et la machine frigorifique. L'approche choisie suit une présentation appelée CFER pour Composants, Fonctions et Évolutions de Référence, où nous commençons par décrire les architectures de ces différentes machines et les solutions technologiques mises en œuvre. Nous montrons ensuite que malgré leur diversité, les composants n'assurent que quatre fonctions principales, correspondant elles-mêmes à trois évolutions de référence subies par les fluides qui les traversent.

Cette analyse, d'abord fonctionnelle, débouche sur la notion essentielle d'évolutions de référence, modèles de comportement des fluides dans les machines, et conduit tout naturellement à l'étude des propriétés de ces fluides.

L'approche est la plus légère possible afin de réduire les difficultés que rencontrent les débutants lorsqu'ils apprennent à modéliser, progressivement et par l'exemple, les technologies de conversion de la chaleur. Nous montrons en particulier que l'on peut présenter l'essentiel des concepts sans utiliser une fonction d'état qui peut être difficile à bien comprendre, l'entropie.

Après avoir introduit quelques notions essentielles de thermodynamique, les échanges énergétiques d'un système avec son environnement sont analysés et le premier principe de la thermodynamique est présenté.

La représentation des cycles dans le diagramme enthalpie-pression (h, ln (P)) permet de visualiser les phénomènes physiques en jeu et les quelques évolutions de référence subies par les fluides de travail.

La manière dont ces cycles peuvent être modélisés avec le progiciel Thermoptim est expliquée dans des explorations dirigées de modèles préconstruits.

Nous prônons une approche la plus légère possible et progressive, en spirale, où les nouveaux concepts ne sont introduits qu'au moment précis où ils sont nécessaires, quitte à y revenir plus tard pour donner plus de détails. Elle est légère pour limiter la charge cognitive des apprenants, et progressive pour entretenir leur motivation. Une telle approche peut être considérée comme relevant de la pédagogie minimaliste au sens de (Caroll, 1990).

Une fois que nous avons montré aux apprenants comment ils peuvent modéliser les cycles thermodynamiques simples, la deuxième partie leur fournit des compléments théoriques, méthodologiques et technologiques qui seront utilisés lors des études de cycles plus complexes présentés dans les tomes 2 et 3.

Les compléments théoriques présentés dans la partie 2 concernent la combustion, les échangeurs de chaleur, l'entropie et l'exergie.

Les compléments méthodologiques présentent deux méthodes puissantes développées au cours des dernières décennies, la méthode du pincement et l'établissement de bilans exergétiques. Ici aussi, notre approche contraste avec celles qui sont habituellement utilisées. L'utilisation de structures productives permet en effet d'automatiser très largement la construction de ces bilans exergétiques, limitant ainsi considérablement la difficulté de l'exercice et les risques d'erreur.

Les compléments technologiques concernent les composants des installations à vapeur : chaudières, générateurs de vapeur, turbines à vapeur et tours de refroidissement.

Carroll, J. M., The Nurnberg Funnel: Designing Minimalist Instruction for Practical Computer Skill. MIT Press, Cambridge, MA, USA, 1990.

Deuxième tome

Le deuxième tome, consacré aux installations thermodynamiques classiques, montre aux apprenants comment ils peuvent utiliser ces puissants outils pour améliorer les performances des systèmes simples étudiés précédemment.

Le principe directeur de ces analyses est la réduction des irréversibilités, une attention particulière étant portée à celles qui résultent des écarts de température avec les sources externes et lors des régénérations internes. De plus, l'intérêt des compressions et des détentes étagées est mis en évidence chaque fois que possible.

Dans ce contexte, les analyses exergétiques présentent un grand intérêt, car elles permettent de quantifier les irréversibilités. C'est pourquoi nous présentons de nombreux bilans exergétiques des cycles étudiés, l'accent étant mis sur l'interprétation de leurs résultats plutôt que sur la théorie sous-jacente. Comme indiqué plus haut, leur obtention est grandement facilitée par l'utilisation des structures productives, de sorte que l'utilisation des bilans exergétiques se fait sans difficulté particulière.

Les technologies de conversion de l'énergie classiques sont passées en revue, analysées comme des systèmes mettant en œuvre les composants dont le fonctionnement a été étudié au premier tome. Le lien est fait entre les hypothèses de modélisation et les réalisations technologiques.

Les principaux cycles utilisés y sont successivement étudiés, toujours illustrés par de nombreux modèles résolus avec Thermoptim et une vingtaine d'explorations dirigées complémentaires.

Celles-ci constituent une suite permettant aux apprenants de s'initier à la modélisation en étudiant des systèmes de complexité croissante, découvrant ainsi progressivement les difficultés existantes : calculs de combustion, paramétrage d'échangeurs, de diviseurs et de séparateurs de phases...

Les chapitres 5 et 6 traitent des cycles de conditionnement de l'air et des cycles à absorption, désormais classiques, ce qui justifie leur inclusion dans le deuxième tome.

Troisième tome

Le troisième tome est consacré à l'étude des cycles innovants à faible impact environnemental : cycles à turbine à gaz avancés, moteurs Stirling, réacteurs nucléaires du futur, cycles à oxycombustion, cycles thermodynamiques des énergies nouvelles et renouvelables, cycles évaporatifs, compression mécanique et thermique de vapeur, dessalement, séchage par gaz chaud, convertisseurs électrochimiques.

La très large palette des cycles étudiés permet aux lecteurs de se faire une idée de la diversité des solutions technologiques qu'il est possible d'imaginer en matière de systèmes énergétiques, domaine dans lequel des évolutions technologiques considérables sont attendues dans les décennies à venir, notamment pour le développement de nouveaux cycles intégrés à haut rendement et à faibles émissions de gaz à effet de serre.

De nombreux exemples de bilans exergétiques sont également fournis. Pour certains cycles, comme ceux relatifs à l'évaporation ou au séchage, leur interprétation est un peu plus délicate que pour ceux étudiés dans le tome 2.

Activités proposées aux lecteurs

Modélisation des systèmes énergétiques

Dans cet ouvrage, l'apprentissage de la modélisation s'effectue d'une part de manière très progressive, les notions plus complexes étant introduites contextuellement, au fur et à mesure des besoins, et d'autre part par l'étude d'exemples réalistes, le lecteur étant invité à réaliser des explorations dirigées de 45 modèles d'environ 30 systèmes énergétiques différents.

Nous parlons d'une présentation pédagogique allégée car nous cherchons à limiter au maximum le bagage en mathématiques et en physique nécessaire à la compréhension de ces technologies, notre objectif étant de les rendre accessibles à des lecteurs peu familiarisés avec le langage des spécialistes de la thermodynamique.

Jusqu'au chapitre 4 du tome 2 inclus, nous avons limité les développements théoriques et la mise en équations au strict minimum. Ensuite, jusqu'à la fin du livre, nous les avons réintroduits, considérant qu'à ce stade d'avancement, même les lecteurs les plus réticents au départ par les aspects mathématiques et physiques seront suffisamment motivés pour s'y plonger si le sujet les intéresse vraiment. De nombreux exemples sont fournis, avec les équations retenues dans les modèles, dont un certain nombre sont implémentées dans des classes externes de Thermoptim. Le code Java de ces classes est disponible.

En 800 pages environ, le lecteur découvre les concepts essentiels qui lui permettent de comprendre à la fois le fonctionnement des systèmes énergétiques assurant la conversion thermodynamique de la chaleur et la manière dont ils peuvent être modélisés.

Des exemples concrets

Une soixantaine d'encarts de trois types sont inclus dans le livre. Ils soulignent des concepts-clés (CC), renvoient sur des explorations dirigées (ED) ou fournissent des liens vers des ressources numériques pédagogiques (RNP) complémentaires, en particulier des pages du portail Thermoptim-Unit.

L'ensemble de l'ouvrage est illustré par environ 125 exemples réalistes de cycles modélisés avec Thermoptim, qui offrent aux lecteurs des modèles dont ils peuvent personnaliser la structure ou les paramètres à leur gré pour effectuer diverses simulations. Les fichiers de ces exemples sont disponibles sur demande pour les enseignants.

La liste de ces exemples, de difficulté variable, est donnée dans le portail Thermoptim-UNIT avec quelques commentaires et suggestions d'utilisation pédagogique, en fonction du contexte et des objectifs poursuivis par les enseignants.

Auto-évaluation

Environ 70 activités d'auto-évaluation en ligne sont proposées, dont l'objectif principal est de permettre à chaque apprenant de vérifier sa compréhension des différents concepts présentés. Les notes obtenues ne sont ni enregistrées ni transmises à quiconque. Elles lui donnent simplement une indication de la qualité de ses réponses.

Ces activités d'auto-évaluation sont de quatre types :

  • Les exercices de glisser-déposer sur image (gdi) permettent aux apprenants de vérifier s'ils peuvent se repérer dans un schéma ou un graphique. Ils fonctionnent par simple glisser-déposer ;

  • Les textes à trous (tat) avec ou sans image contextuelle nécessitent un peu plus de concentration de la part des apprenants, mais sont très utiles pour qu'ils s'assurent qu'ils ont bien compris les concepts difficiles. D'un point de vue pédagogique, c'est un excellent exercice car on leur demande de reformuler ce qui a été présenté dans le livre afin de construire des phrases qui ont du sens, les textes manquants étant proposés dans des menus déroulants ;

  • Les exercices de catégorisation (cat) complètent les deux activités précédentes : les lecteurs organisent les éléments en catégories et apprennent ainsi à en distinguer les caractéristiques ;

  • Enfin, les questions à choix unique ou multiples (quiz) leur permettent de tester leurs connaissances de manière assez large, mais ce sont des outils un peu moins conviviaux que les autres.

Utilisation pédagogique

Pédagogiquement, cet ouvrage et Thermoptim peuvent être utilisés dans des contextes variés, aussi bien dans une approche traditionnelle (néo-comportementale ou objectiviste) que dans une approche constructiviste plus récente. Nous espérons qu'il aidera les collègues à surmonter les difficultés auxquelles ils peuvent être confrontés dans leur pratique.

Pour les tenants d'une approche conventionnelle, Thermoptim permet d'enrichir la présentation classique par des simulations précises et de faire travailler les étudiants sur des exemples multiples et réalistes. Dans une approche constructiviste, le livre et le logiciel sont en plus des outils permettant aux étudiants de travailler en autonomie pour explorer un large champ et analyser des sujets très ouverts :

  • pour les débutants, c'est un environnement structuré qui réduit la charge cognitive tout en facilitant l'acquisition du vocabulaire et des concepts de base encapsulés dans les écrans. Une fois ce vocabulaire appris, l'apprentissage coopératif avec les pairs et les enseignants est renforcé ;

  • très vite, il devient possible de travailler sur des problèmes réalistes et non caricaturaux (comme classiquement les moteurs à combustion interne modélisés avec de l'air parfait comme fluide de travail). De plus, lors des stages, les étudiants utilisant Thermoptim sont pleinement opérationnels dans l'entreprise où ils travaillent, ce qui est très motivant pour eux et les amène à s'engager plus à fond ;

  • quant aux utilisateurs confirmés, Thermoptim leur permet d'étudier des systèmes très complexes (par exemple, Areva Framatome a utilisé Thermoptim pour optimiser des cycles combinés et des cycles de cogénération couplés à des réacteurs nucléaires à haute température).

Le lecteur comprendra que nous cherchons avant tout à rendre le plus accessible possible l'étude des systèmes énergétiques, en démontrant très concrètement comment des modèles réalistes peuvent être élaborés pour les représenter. Ce parti pris nous a conduits à limiter volontairement notre discussion des questions scientifiques aux notions clés, notamment celles concernant les fondamentaux de la thermodynamique et des transferts de chaleur. Du coup, le livre perd en généralité ce qu'il gagne en facilité d'utilisation. Le lecteur intéressé par des développements plus poussés pourra, s'il le souhaite, se reporter aux documents indiqués en bibliographie.

Les ingénieurs expérimentés trouveront un corpus cohérent de théorie et de pratique grâce auquel ils pourront devenir rapidement opérationnels, sans avoir à s'impliquer personnellement dans la résolution d'équations ou dans le développement d'un environnement de modélisation informatique.

Copyright R. Gicquel v2022.4

Réalisé avec Scenari (nouvelle fenêtre)