Methodological contributions to eco-design of electromagnetic energy converters
Contributions méthodologiques à l'éco-conception des convertisseurs électromagnétiques d'énergie
Résumé
Minimizing environmental impacts of human activity represent a major objective of sustainable development considering resources depletion and the limited capabilities of the environment to adapt. Devices with better environmental performance require a specific design approach integrating credible environmental criteria. It is indeed by acting at the early phase of design that it is likely to provide the maximum flexibility to minimize environmental impacts of a product (or service). This method is called eco-design. In the field of eco-design, these works are conduct on applications of electrical engineering and more specifically of electromagnetic energy converters. These components have the distinction of consuming energy during use. This particularity implies a strong connection between the operating mode of the device and its life cycle design. This thesis propose in a first part an introduction to life cycle assessment and to the basic principles of eco-design. The methodological perspectives that these considerations open in the specific field of Electrical Engineering are then described. In a second part, three Electrical Engineering cases of increasing complexity are studied : a simplified single-phase transformer, a permanent capacitor single-phase induction machine with very short operating times (real commercial product) and finally a three-phase induction machine with optimized power supply. These applications are used to emphasize the principles of eco-design and are optimized regarding three environmental criteria : the gross energy requirement, the resources depletion and the global warming potential. In fact, taking into account other environmental impacts is identical in terms of methodology. In these studies, we show that it is interesting to optimize the design of these electromagnetic converters on life cycle, when their cumulative operating time is small compared to the total time of use. The amount of operating losses is also a parameter having a significant action on the results of eco-design. The setting of these applications is also subject to various sensitivity studies in order to determine more precisely the influence of the elementary energy costs, the choice of raw materials, etc.. Finally, we introduce the definition of an energy efficiency on life cycle more appropriate to an eco-design methodology.
Dans un contexte de raréfaction des ressources et de limitation des capacités d'adaptation de l'environnement, la minimisation des impacts environnementaux de l'activité humaine représente un des objectifs majeurs du développement durable. Proposer des dispositifs présentant de meilleures performances environnementales nécessite une démarche de conception spécifique intégrant des critères environnementaux crédibles. Il s'agit en effet d'agir dès la conception d'un produit (ou d'un service) afin de bénéficier du maximum de latitude pour minimiser ses impacts environnementaux. Cette démarche se nomme l'éco-conception. Rejoignant cette thématique, ces travaux ciblent des applications du domaine du Génie Electrique et plus particulièrement celui des convertisseurs électromagnétiques d'énergie. Ces composants présentent la particularité d'être fondamentalement, à l'usage, consommateurs d'énergie. Cet aspect implique un fort couplage entre le mode de fonctionnement du dispositif et son dimensionnement sur son cycle de vie. Ce travail de thèse aborde dans une première partie l'analyse sur cycle de vie ainsi que les principes fondamentaux de la démarche d'éco-conception. Les perspectives méthodologiques que ces considérations ouvrent dans le domaine plus spécifique du Génie Electrique sont ensuite décrites. Dans une seconde partie, trois cas d'étude en Génie Electrique de complexité croissante, font l'objet d'applications des principes d'éco-conception : un transformateur monophasé simplifié à alimentation fixe, une machine asynchrone monophasée à condensateur permanent réelle (produit commercial) et présentant des durées de fonctionnement très brèves, et enfin une machine asynchrone triphasée alimentée à fréquence variable. Les critères environnementaux retenus pour les optimisations sont l'énergie globale sur cycle de vie et les émissions de gaz à effet de serre. En effet, la prise en compte d'autres impacts environnementaux est identique du point de vue méthodologique. Lors de ces études, nous montrons qu'il est intéressant d'optimiser la conception de ces convertisseurs électromagnétiques sur cycle de vie, lorsque leur durée cumulée de fonctionnement est faible devant leur durée d'usage. Le niveau de puissance de fonctionnement des convertisseurs est aussi un paramètre ayant une action significative sur les résultats d'éco-conception. Le paramétrage des trois cas d'études fait par ailleurs l'objet de différentes analyses de sensibilité permettant de cerner plus précisément, sur les résultats d'optimisation, l'influence des coûts énergétiques élémentaires, des choix des matériaux constituant le dispositif, etc. Enfin, pour les convertisseurs d'énergie, nous introduisons la notion de rendement énergétique sur cycle de vie prenant en compte leur efficacité globale.
Mots clés
Eco-design
life cycle assessment
gross energy requirement
global warming potential
on life cycle efficiency
single-phase transformer
permanent capacitor single-phase induction machine
three-phase induction machine
power supply optimization
optimization
evolutionary algorithm
analyse sur cycle de vie
énergie globale sur cycle de vie
potentiel de réchauffement climatique
rendement sur cycle de vie
transformateur monophasé
machine asynchrone monophasée à condensateur permanent
machine asynchrone triphasée à fréquence variable
optimisation
algorithme évolutionnaire
Eco-conception