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Kane Malick

Professeur HES associé

Main skills

Energy modeling and simulation

Heatpump and refrigeraton systems

District heating/cooling networks

Thermoeconomics and Optimisation

Main contract

Professeur HES associé

Phone: +41 26 429 68 42

Desktop: HEIA_D10.17

Haute école d'ingénierie et d'architecture de Fribourg
Boulevard de Pérolles 80, 1700 Fribourg, CH

Institute
Energy - Institut de recherche appliquée en systèmes énergétiques

MSc HES-SO en Engineering - HES-SO Master

Advanced Thermodynamics
Intégration et Optimisation Energétique

BA HES-SO en Architecture - Haute école d'ingénierie et d'architecture de Fribourg

Thermodynamique appliquée
Machines thermiques et énergétiques
Conversion d'énergie

Ongoing

Réseau d'énergie HIB - Variation de la température source des pompes à chaleur (PAC-HIB)

Role: Main Applicant

Description du projet :

La société Groupe E SA souhaite mettre en place un nouveau système de pompage de l'eau du lac de Neuchâtel pouvant alimenter des pompes à chaleur de chauffage installées à l'Hôpital Inter cantonal de la Broye (HIB) à Estavayer-le-Lac. L'idée est de proposer une solution de chauffage entièrement renouvelable. L'objectif de ce projet est de modéliser et simuler le réseau CAD et déterminer les variations de la température de l'eau dans la conduite et ceci en fonction du temps.

Research team within HES-SO: Kane Malick

Durée du projet: 17.02.2020 - 30.06.2020

Statut: Ongoing

Exergy Modeling and Optimization of Low Temperature Thermal Networks (LowNeX)

Role: Main Applicant

Description du projet :

The LowNeX thesis project consists in developing an exergy-based decision support tool to model and optimize low temperature thermal networks

Research team within HES-SO: Kane Malick

Partenaires académiques: Ramousse Julien, Souyri Bernard, Université Savoie Mont Blanc; Adhiou Yolaine

Durée du projet: 01.10.2019 - 30.09.2022

Url of the project site: https://www.smartlivinglab.ch/en/projects/lownex/

Statut: Ongoing

Valorisation du potentiel énergétique et climatique des eaux locales pour l’habitat du futur (blueEnergy)

Role: Co-applicant

Financement: Smart Living Lab / SINEF

Description du projet :

L'urbanisme organise l'aménagement des espaces pour assurer le bien-être des humains, en préservant l'environnement. L'aspect de la durabilité à l`échelle d'un quartier est au centre de l'étude qui se focalise sur le potentiel énergétique des eaux locales et leur régulation. La démarche prévoit de développer un modèle générique pour analyser le potentiel thermique et mécanique des eaux locales. Ces connaissances scientifiques seront validées en les implémentant sur un site concret, pour en déduire un plan d'affectation (PAC) idéal futur.

Research team within HES-SO: Kane Malick , Pfister Michael , Bullinger Géraldine , Favre Boivin Fabienne , Radu Florinel

Durée du projet: 01.09.2019 - 30.11.2021

Montant global du projet: 159'500 CHF

Statut: Ongoing

Concept d'intégration et optimisation de réseaux avancés d'échange thermique intelligent appliqué au quartier de Bluefactory (BlueCAD)

Role: Main Applicant

Financement: Smart Living Lab / Groupe E / BlueFactory SA / Service de l'Energie de Fribourg

Description du projet :

BlueCAD project studies an original concept of advanced thermal low-temperature district heating networks (CAD) operating with an intelligent control unit capable of integrating and managing different sources of renewable energy

Research team within HES-SO: Kane Malick , Rolle Jérémy , Rime Simon

Partenaires académiques: Kane Malick, HES-SO//FR

Durée du projet: 01.05.2018 - 30.12.2020

Montant global du projet: 210'000 CHF

Url of the project site: https://www.smartlivinglab.ch/en/projects/bluecad/

Statut: Ongoing

2024

An object-oriented implementation of a recursive “quantum network” solver and its application to district heating networks

Scientific paper ArODES

Cornelia Blanke, Malick Kane

Energy Conversion and Management: X, 2024, 24, 100690

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Summary:

With the increasing importance of energy efficiency and sustainability, the demand for high-performance district heating networks is also on the rise. As traditional engineering methods were often no longer sufficient, several packages for numerical simulation have evolved. Many of them offer high accuracy at the cost of considerable manual preparation and computational effort. However, there is still no user-friendly software that is equally suitable for simplified studies in the early project phase, for the rapid optimisation of multiple concepts and for subsequent detailed planning and dimensioning. For this reason and in cooperation with some companies from the energy sector, we had conceived a novel, highly flexible modular approach, the so-called “quantum networks”, where all parts of the district heating network are appropriately abstracted into quantum elements. Now we present our recent implementation of this model in an object-oriented C++ library. Starting from a generalised base class and making use of the concepts of inheritance and polymorphism, the idea of different levels of detail for the same element type is directly realised and can always be further refined. In addition, as all elements are derived from the same base class, they all share the same outer appearance and can thus be easily combined or interchanged. Based on these prerequisites, a dedicated thermo-hydraulic solver has then been developed. Thanks to its recursive design requiring neither outer iterations nor matrix inversions, it proves to be extremely fast and is therefore suitable for rapid design or optimisation studies in which a vast number of configurations has to be computed. To conclude this part of the work, the developed C++ library was benchmarked on two use cases covering a full year of operation that can now be computed in approximately one second of runtime.

2021

Temperature level optimization for low-grade thermal networks using the exergy method

Scientific paper ArODES

Yolaine Adihou, Malick Kane, Julien Ramousse, Bernard Souyri

Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 20142, article no. 012029

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Summary:

Low-temperature thermal networks open the field for additional renewable and recovered energy sources to be used. The exploitation of low exergy level resources requires decentralized heat pumps having a significant impact on the network's overall electricity consumption. Thus, a compromise must be found in order to minimize thermal and electrical consumption while integrating a maximum of renewable energy sources. This optimum is governed by the temperature level of the network. This paper aims at determining the optimal network temperature using the exergy criterion. The exergy method is detailed and applied to the multi-source network blueCAD (Fribourg) fed by geothermal energy, and FriCAD, a high temperature district heating network. The optimum temperature decreases as the share of geothermal energy in the production increases. For blueCAD, it ranges from 40 to 55 °C.

2020

Performance analysis of a vapor-extraction heat-pump system for district heating/cooling applications

Scientific paper

Kane Malick, Aziz Mbaye

IEA Heat Pump Conference (Submitted), 2020

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Summary:

This paper describes a new concept of a high temperature (HT)/low-temperature (LT) network integration by using an advanced heat pump technology able to integrate and manage various renewable and residual energy sources with different temperature levels. It is based on a vapor extraction (VE) compression cycle, which integrates two well-known cycles: a vapor compression heat pump cycle and an organic Rankine cycle (ORC). To perform a comparison with existing heat pumps, an energy/exergy analysis has been carried out by using R134a as a working fluid. Thus, for a given extraction ratio of 25%, results show that an increased heating/cooling capacity of about 30% and a high exergy efficiency of 59.7% can be achieved, compared to the 55.5% obtained for conventional compression heat pumps. A global coefficient of performance (COP) between 2.5 and 3.5 (corresponding to a vapor extraction ratio between 10% and 30%) is also obtained and compared to the 1.3-1.7 values given in the literature for existing thermally driven heat pumps (e.g. absorption heat pumps or double orc-orc heat-pump cycles) working with high temperature levels of hot sources.

Alternative solutions for the optimal integration of decentralized heat-pumps in district heating/cooling networks

Scientific paper

Kane Malick, Rime Simon, Sarah Wyler

International Conference on Efficiency, Cost, Optimization and Simulation (Submitted), 2020

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Summary:

This paper presents new solutions and configurations of integrating heat-pumps in advanced district heating/cooling networks in order to minimize the pinch temperature while allowing high differential temperatures on the primary network, then minimizing both the flow rate on the networks and the total exergy losses.

Thermodynamic models of heat-pumps have been developed in order to simulate different configurations of integration where the performances in term of exergy efficiency on the substation are determined in function of the temperature of the network and the differential temperature on the primary network. The models have been applied: first to simulate the performance of a reference heat-pump system based on a classical “anergic” low-temperature (8/12°C) advanced heating/cooling network and also to compare with the proposed integrated HP system. Results show that an exergy efficiency of the substations units of more than 55% can be achieved for the proposed concepts, reducing electricity consumption of about 20% compared to the “anergic” DH network decentralized heat-pumps.

An exergy-based district heating modeling for optimal thermo-hydraulic flow distribution: application to BlueFactory's Smart Living Lab neighbourhood

Scientific paper

Kane Malick, Yolaine Adhiou

International Conference on Efficiency, Cost, Optimization and Simulation (Submitted), 2020

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Summary:

Low temperature district heating networks can provide a highly e-cient low carbon heat supplier with great potentials in improving heat distribution while minimizing exergy losses. However the interest in performing exergy analysis is hardly comprehensive for industrial as it rarely gives explicit details on district heating systems design and operation. Moreover, most of exergy assessment are based on the assumption of neglecting pressure losses whereas low temperature district heating networks usually operate at low dierential temperature corresponding to high ow-rates and then signicant pressure losses. Consequently, the latter are no longer negligible when compared to thermal losses. An exergy formulation as function of thermal and pressure losses is therefore essential to assess low temperature DH networks. This paper presents an exergy-based methodology to design low temperature networks for an optimal thermo-hydraulic ?ow distribution. It addresses an explicit analytic expression of exergy losses as a function of geometric and thermo-hydraulic parameters. A detailed exergy modelling is performed to identify in?uencing parameters and conclude on a simplied formulation of exergy losses. The method is tested on the conception of the evolving thermal network for the BlueFactory site in Fribourg (Switzerland) composed of 11 buildings with a total surface area of 74 500 m2.

2019

Potentiel d'innovation d'un nouveau système de pompe à chaleur à compression avec extraction de vapeur (VE-HP InnoSuisse)

Report

Kane Malick,

2019, Fribourg : HEIA-FR, 22 p.

Summary:

L'étude des avantages techniques de la technologie de pompe à chaleur à compression avec extraction de vapeur est réalisée dans le cadre de ce projet financé par InnoSuisse. Les résultats ont fait l’objet d’une publication scientifique soumise à la conférence de HPC 2020. Une étude comparative avec les des systèmes de conversion existants a été réalisé et ceci pour différentes applications de chauffage: pompes à chaleur standards autonomes ou en réseau, système ORC de cogénération, chaudière et système de chauffage via un réseau de à distance (CAD). Une analyse de l’empreinte carbone de la PAC à extraction de vapeur a permis également de montrer ses avantages par rapport à d’autres technologies. En effet, si l'on tient compte des statistiques de la consommation électrique totale des PAC en suisse de l'ordre de 1738 GWh (données de l’Office Fédérale de la Statistique en 2016), on peut estimer une réduction jusqu’à 26 GWh d’électricité consommée si l'on admet un remplacement de 10% de ces PAC standards par la nouvelle PAC à extraction de vapeur (VE-PAC). Avec la faible empreinte carbone de la PAC à extraction, cela représenterait une diminution des émissions de carbone de plus de 3354 tonnes de CO2 par an.

2018

Module ORC de récupération d’énergie des gaz d’échappement d’un moteur Liebherr:

Report

Band de test des performances

Kane Malick, Nasrallah Thierry

2018, Fribourg : HES-SO//FR, 16 p.

Summary:

Project confidentiel Liebherr Machine Bulle SA

La société Liebherr Machines Bulle SA (LMB) souhaite développer un système de production d’énergie mécanique basé sur une machine à fluide organique (ORC) pour la récupération de chaleur sur les gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne. L’idée est de tester et mesurer les performances énergétiques d’un module prototype comprenant : une turbine, une pompe, un évaporateur et un condenseur. Un tableau électrique intégré au module ORC permet d’assurer une décharge du courant sur des résistances électriques refroidies à l’eau. Ce rapport présente les travaux réalisés pour la mise en place de ce band et les mesures de performance effecutées sur 3 unités de machines ORC. Les installations de base (chaudière industrielle à huile thermique, circuits chauffage et de refroidissement de machines thermiques industrielles) disponibles au Laboratoire Thermique et Energétique (LTE) sont utilisées pour la réalisation de ce band. Un circuit intermédaire d'eau glycolée à température de 110°C a été développée pour simuler les conditions d'utilisation réelle de ces marchines. Un système d'acquition de données perfomant et robuste a permis de faire réaliser des mesures aussi bien en régime permanent qu'en dynamique. Les tests ont été effectuée sur 40heures de fonctionnement et les performances des unités ont été analysées et reportées au client.

Intégration énergétique du procédé de fabrications de PSE:

Report

Etude du potentiel réel d’économie d’énergie

Kane Malick, Michaël Morisod

2018, Fribourg : HES-SO//FR, 26 p.

Summary:

RAPPORT TECHNIQUE SWISSPOR ROMANDIE - CHATEL SAINT-DENIS

La société Swisspor Romandie SA souhaite optimiser les performances des installations techniques de fabrication de PSE. L’idée est de connaitre la qualité des installations de production de la vapeur, comprendre les problèmes de dysfonctionnement et améliorer la consommation d’énergie. L’objectif de ce projet est d’étudier le potentiel réel d’économie d’énergie tout en formulant des propositions concrètes permettant de réduire les charges de consommation de gaz. La démarche proposée est basée sur une méthodologie à deux étapes : Application de la méthode du pincement global et Analyse des performances de l’installation à vapeur sur la base de mesures, tests et simulation de ses installations y compris des équipements annexes. L’analyse de pincement effectuée sur l’usine montre une consommation de vapeur de l’ordre des 2.8 MW en moyenne pour les deux jours analysés. Cette analyse montre que les jours de production entre 5 h et 21 h, la chaudière est utilisée à environ 48 % de sa puissance nominale durant une grande partie de l’année. Cette estimation correspond aux résultats des monotones de puissance tracée sur la base des données fournies par Swisspor. Le besoin de froid est estimé à environ 3.3 MW en se basant sur les débits théoriques installés. C’est pourquoi la suite des analyses se concentre sur la chaine de vapeur. Par la suite, une analyse de la consommation de froid est à envisager.

2017

CONCEPT DE PRODUCTION DE CHALEUR RENOUVELABLE POUR LA PLACE D’ARMES DE CHAMBLON

Report

Kane Malick, Michelle Monti, Tiphaine Morel

2017, Genève : Putallaz Ingénieurs Conseils Sarl, SignaTerre SA, 48 p.

Summary:

La chaufferie de la Place d’armes de Chamblon est équipée de chaudières à gaz et mazout datant de 1996 hormis une chaudière de secours datant de 1977. La problématique est double. D’une part, la politique énergétique d’armasuisse a opté pour l’utilisation des énergies non fossiles et locales. C’est pourquoi le rapport propose un concept de rénovation répondant à ces exigences. D’autre part, une augmentation des effectifs et donc la construction de nouveaux bâtiments est attendue ces prochaines années. C’est pourquoi le concept proposé répond à ces nouveaux besoins à court et moyen terme. Le but de l’étude consiste à proposer des solutions techniques à court terme en maintenant les chaudières actuelles et à proposer un concept à moyen terme avec plusieurs variantes, pour le futur de la chaufferie de la Place d’armes. Les solution à court terme sont prioritaires sont traités en relation avec les problèmes actuels de la chaufferie. Les solutions à moyen terme sont planifiées dans une stratégie de réinvestissement, afin de diminuer les consommations d’énergies non renouvelables du site et d’améliorer son efficacité énergétique. Trois variantes sont considérées:

Variante 1 : chaudières à bois, pellets (1 MW + 0,3 MW, secours par la chaudière existante de 1,5 MW), réseau haute température
Variante 2 : chaudières à bois, plaquettes (0,9 MW + 0,45 MW, secours par la chaudière existante de 1,5 MW), réseau haute température
Variante 3 : chaudières bois et PAC

L’étude se base sur la production de chaleur. L’analyse des besoins de la Place d’armes a été réalisée sur la base des données à disposition.

2015

Working fluids for a Low Temperature ORC heat recovery System

Report

Kane Malick, Sylvio Giacomini

2015, Nyon : Eneftech Innovation SA, 18 p.

Summary:

TECHNICAL REPORT TO BP GERMANY (BP GELSENKIRCHEN GMBH)

Power production achieved with phase change and expansion in a turbine needs an appropriate fluid according to parameters like performance, safety, environment and technical feasibility. This report presents the constrains that leads to the selection of refrigerants for a set of low temperature (LT) Organic Rankine Cycle (ORC) applications:

I- In a first part, the ORC system and a set of applications are described, the technology’s similarities with heat pumps are presented and major points of the design code EN378-2008, used for heat pumps, are exposed.

II- In a second part, a comparison between various available fluids is presented.

III- Finally, a first ORC design is carried out for BP application and a comparison of CO2 emissions have been made with other technologies for power production.

CONCEPT ENERGETIQUE POUR LA CHAUFFERIE DE LA PLACE D'ARMES DE BIERE

Report

Etude de faissabilité

Kane Malick, Sylvio Giacomini, Michelle Monti, Tiphaine Morel

2015, Genève : Eneftech Innovation SA, Putalaz Ingénieurs Coseils et SignaTerre SA, 50 p.

Summary:

La politique énergétique d’armasuisse est l’utilisation des énergies renouvelables et locales. Ainsi les anciennes installations de la centrale énergétique de Bière comprenant des chaudières à Mazout et à bois et une installation ORC devont être adaptées de la centrale de Bière devront devront être adaptées pour une production de chaleur 100% renouvelable. D’autre part, l’utilisation du bois en été pour cette installation n’est pas possible car la chaudière d’été est surdimensionnée et la maintenance se fait à cette période. Enfin, l’ORC n’a pas produit d’électricité depuis le changement des chaudières à bois. Cette installation doit aussi être prise en compte dans le concept. L'étude de faisabilité de ce projet a conduit à proposer un concept à court terme basé sur la substitution des chaudières à mazout par la mise en place de chaudières à pellets et un concept à moyen terme basé sur l’implémentation d'un nouveau système de cogénération placée sur la récupération des gaz de fumées de la chaudière.

Le périmètre de l’étude concernant des prestations d’ingénieur spécialisé dans l’énergie et les installations techniques du bâtiment, en particulier celles concernant le chauffage et la ventilation selon le règlement SIA 108 éd. 2003. L’étude se base sur la production de chaleur. L’analyse des besoins de la Place d’armes a été réalisée sur la base des données à disposition.

2013

SCROLL DEVICE FOR COMPRESSION OR EXPANSION

Professional paper

Kane Malick, Danilo Cretegny, Antoine Merminod

US Patent Office, 2013 , vol. US, no 2013017111A1

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Summary:

A device for varying pressure of a fluid comprising a scroll case (11) containing a fixed scroll (12) and a mobile scroll (13) relatively to the case, and with admission (A) and outlet (B) ports for the fluid, characterized in that it comprises means for thermally insulating the scrolls

2012

Système à Cycle de Rankine

Professional paper

Kane Malick

French Office for Patents, 2012 , no FR 12 01 360

Highly Integrated Combustion Electric Powertrain System (Hi-CEPS)

Report

Thermal Regeneration – Exhaust Heat Recovery

Kane Malick, Danilo Cretegny

2012, Nyon : Enertech Innovation SA, 58 p.

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Summary:

In the first phase of the project, a preliminary design of a scroll expander is achieved. The design consists of basic thermodynamic calculations, thermal and mechanical considerations, functional specification of parts including the electrical generator and the casing of the machinery. A 4kW power expander is chosen for this preliminary design, working with water steam at max 16 bar and 250°C and a maximal rotational speed of 6000 rpm. A performance model is adapted to these conditions and used in order to compute the efficiency of the various dimensional designs. The topology of the expander stage is defined according to the desired high temperature and high pressure ratio. A compliant axial and radial positioning system is chosen for the orbiting volute member so that the internal leakages remain as low as possible in a variety of working conditions, as well as in order to maintain the costs within the range those reached by standard manufacture equipment. Furthermore, a hermetical design allows the use of a variety of fluids types. A preliminary FEM calculation gives insight in the type of losses that are predominant in a scroll pair working in these conditions. The necessity of using oil for lubrication and internal leakage reduction is confirmed and an intensive research and tests on various oil types is performed, considering the constrains of oil separation from water or steam, as well as the stability of oil within humid or aqueous conditions and relative high temperatures. A suitable candidate is found in a synthetic silicone oil.

2010

Scroll device integrating a feed pump

Professional paper

Kane Malick, Danilo Cretegny

US Office for Patents, 2010 , no US20100254835A1

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Summary:

A scroll device including two coupled stages on a rotary shaft, at both ends of an intermediate electric power device, wherein the first stage is formed by a first pressure variation device of an operating fluid, comprising a scroll case containing a fixed scroll and a mobile scroll relatively to the case, and with admission and outlet ports, and wherein the second stage is a feed pump which pumps the operating liquid and provides it in return

Solar Thermal Driven Organic Rankine Cycle (POWERSOL)

Report

Kane Malick, Danilo Cretegny

2010, Nyon : Eneftech Innovation SA, 30 p.

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Summary:

TECHNICAL REPORT TO PSA (SPAIN)

https://prec.ethz.ch/research/solar-power/powersol.html

The proect focuses on the development of a solar thermal driven mechanical power generation via Organic Rankine Cycle (ORC). The thermodynamic cycle will be optimized for solar heat at low to medium temperature range. This report presents the design, development and testing phase of a 200C ORC-Module. The basic components for the ORC Module are designed according to Rankine cycle calculation that has been performed in the previous phase of the project. This Rankine cycle is characterized by a regeneration heat exchanger at the turbine outlet, which recovers the heat at low pressure in order to preheat the refrigerant before the evaporator. The pipe diameters are specified and the configuration of the regulation type, safety system and lubrication system is determined according to their specification. All of this information is available in the Process & Instrument Diagram (PID), as illustrated in the annexe of the document.The high pressure ratio and relatively small mass flow lead to the choice of a piston membrane pump. Standard plate heat exchangers are chosen and the number of plates is calculated according to the fluid and working conditions. The expander system is based on a HT scroll turbine.

2009

Nouveau système de cogénération à turbine spirale haute température. HT-Scroll Project Report

Report

Kane Malick, Danilo Cretegny, Daniel Favrat, Jérôme Maquet

2009, Eneftech Innovation SA : Office Fédéral de l'Energie (OFEN), 41 p.

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Summary:

La cogénération permet de satisfaire les besoins en énergie avec une utilisation plus efficace des combustibles réduisant ainsi les émissions polluantes et les gaz à effet de serre. Le projet propose une alternative de système de micro-cogénération basée sur l’utilisation de turbines Scroll qui produisent de l’électricité à partir de source de chaleur à relativement basse température (inférieur à 250°C), permettant donc d’exploiter les ressources d’énergies renouvelables telles que la biomasse, le solaire ou la géothermie. Un tel système permet la production économique de courant vert et peut fournir également des prestations de chaleur de l'ordre de 60ºC, remplissant ainsi les besoins en chauffage et/ou en eau chaude sanitaire.

Un nouveau concept de turbine scroll à double étage de détente (HP et BP) et à haute température (HT-Scroll) a été développé et validé dans le cadre de ce projet. La modélisation, le dimensionnement et la construction d’une unité de 5 kWe ont été menés avec succès. La pression maximale admissible en design est de 25 bars correspondant aux pressions de saturations des fluides sélectionnés pour une température à l’entrée maximale de 250°C (température de design). Le choix des matériaux et le confinement des fluides ont permis d’offrir la possibilité d’utiliser différents fluides de travail (eau, réfrigérant synthétiques, réfrigérants naturels). La construction de machine est hermétique, c'est-à-dire sans joint d’arbre entre l’air extérieur et le fluide de travail. Un système de positionnement des volutes «compliant» est développé pour réduire les fuites internes. La construction est modulaire entre les étages HP et BP, ce qui implique que la machine peut fonctionner avec un seul étage de turbine (turbine en mode mono-étagé) ou avec les deux étages à la fois (turbine en mode bi-étagé). Le générateur développé est du type synchrone à aimants permanents pouvant travailler à vitesse variable jusqu’à 6000 tr/min. L’unité scroll a été testé à l’air jusqu’à une température de 190°C pendant plusieurs heures sans détérioration ou serrage des composants. L’élévation de cette température d’entrée jusqu’à 250°C est possible si l’on utilise des composants appropriés au niveau du band d’essai (tenu en température des vannes). Un rendement global de l’ordre de 60% est obtenu pour la turbine HP testée en mode mono-étagé dans une plage de puissance électrique située entre 0.5 et 2.5 kW. Ce rendement est satisfaisant pour cette gamme de puissances et surtout pour les conditions de fonctionnement à l’air avec des rapports pression limités (de l'ordre de 5.0 à 6.4). Au niveau du module bi-étagée, les essais ont apporté une grande satisfaction opérationnelle au niveau du concept (comportement au démarrage, couplage au réseau électrique).

Les premiers résultats obtenus par un fonctionnement en charge partielle (pression d’entrée maximale de 15 bars) ont montré des performances de rendement de l’ordre de 30%. Un rendement supérieur à 60% pourrait donc être atteint pour un fonctionnement nominal à plus grand rapport de pression (e.g. à 25 bars). Ces résultats sont fortement sensibles aux conditions du régime de vitesse, du rapport de pression et surtout de la concentration d’huile dans les volutes de turbine.

Dispositif à spirale de compression ou d'expansion

Professional paper

Kane Malick, Danilo Cretegny, Antoine Merminod

Institut Fédéral de la Propriété Intellectuelle, 2009 , no CH 697 852 B1

Summary:

Un dispositif de variation de pression d'un fluide comprenant un carter de spirale (11) contenantu ne spiralef ixe (12) et une spirale mobile (13) par rapport au carter, et ayant des orifices d'admission (A) et de sortie (B) du fluide, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'isolation thermique des spirales. Un dispositif à spiraleà deux étages dont au moins I'un des deux étages est un dispositif de variation de pression est utilisé notamment pour la production d'électricité ou de chaleur

2007

Scroll expander Organic Rankine Cycle (ORC) efficiency boost of biogas engines

Scientific paper

Kane Malick, Daniel Favrat, Benoit Gay, Olivier Andres

International Conference for Efficiency Cost Optimization and Simulation (ECOS), 2007 , vol. II, pp. 1017-1024

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Summary:

The most common energy application for biogas is on-site power generation using gas engine units. The introduction of a bottoming cycle based on Scroll expander Organic Rankine Cycle (ORC) technology within a biogas plant is of high interest since the excess heat produced by biogas engines can be used to produce additional power. This paper describes the retrofit of a plant consisting of a digester fed with green municipal wastes and two biogas engine units (200kWe each). The waste heat from the cooling jacket of the first biogas unit is used in cogeneration for the fermentation process and also for heating the buildings of the facility. The objective of the retrofit project is, in a first step, to convert the excess heat from the cooling jacket of the second biogas unit by means of Organic Rankine cycles. Onsite preliminary tests from the operation of the 7 kWe unit have been done, allowing performances to be measured over a broad range of conditions. Those tests confirmed a reasonable behavior of the ORC scroll expander and the interest of the concept. The measured efficiency of the ORC is about 7% with a heat source at around 90°C (i.e. 40% exergy efficiency).

Etude et Fabrication d’un expanseur scroll à haut rapport de volume

Report

Kane Malick, Danilo Cretegny

2007, Nyon : Eneftech Innovation SA, 30 p.

Summary:

RAPPORT TECHNIQUE POUR PEUGEOT-PSA

Ce projet concerne le développement, la fabrication et les tests d'un nouveau expanseur scroll à haut rapport de volume installé. Dans l’étude du système, les caractéristiques et limites de fonctionnement d’une machine à géométrie prédéfinie sont calculées. Parmi les paramètres considérés pour déterminer les limites de fonctionnement, on trouve les charges mécaniques sur les paliers, la limite de pression de compensation axiale, ou la limite géométrique du système de compensation radial. Les caractéristiques de turbine calculées sont le rendement de l’étage et la puissance utile en fonction de par exemple, le rapport de pression de l’étage, de la température de surchauffe, ou de la vitesse de rotation. Pour parvenir à ces résultats, un calcul détaillé des conditions thermodynamiques à l’intérieur de la turbine sont effectués. Les chapitres suivants décrivent brièvement les paramètres considérés et les moyens utilisés pour obtenir les résultats désirés. Dans un premier temps, le modèle géométrique est brièvement expliqué.

Les performances globales de la machine sont conformes au cahier de charge (e.g. rendement de conversion de l’ordre de 50-60%). Néanmoins elles sont en dessous des projections effectuées par des modèles théoriques. Un travail de mise à niveau du modèle théorique pourra être effectué. Le paramètre identifié comme étant prépondérant dans la réduction des performances est celui des fuites internes. Une analyse pourra être effectuée pour identifier facteurs agissant sur les fuites internes et les moyens pour les réduire

2005

Production d’électricité par ORC à partir des rejets de chaleur du site de méthanisation de Châtillon

Report

Kane Malick, Benoit Gay

2005, Genève : Office Cantonal de l'Energie à Genève (ScanE), 30 p.

Summary:

Deux machines thermiques à fluide organique de Rankine ORC1 et ORC2 (type mono étagé) sont installées sur site de méthanisation de Nant-de-Châtillon pour la valorisation des rejets thermiques provenant de moteurs de cogénération à biogaz. ORC-1 est équipé avec une seule unité turbine scroll et ORC-2 avec deux turbines en parallèle et de même type. Ces turbines scrolls sont à l’origine des compresseurs convertis. De nombreux tests pratiques aussi bien en manuel qu’en mode automatique ont permis de montrer le bon comportement des machines. L’efficacité obtenue est de l'ordre de 6.7%pour une température de la source chaude de l’ordre de 95°C. Compte tenu de l'efficacité de Carnot d'une valeur de 17%, prenant en compte les niveaux de température des sources, le rendement exergétique correspondant est environ de 40%.

2003

Micro-power generation for post disaster emergency response

Scientific paper

Kane Malick

Disaster Resistant California, 2003

Small Hybrid Solar Power System

Scientific paper

Kane Malick, Diego Larrain, Daniel Favrat, Yassine Allani

ENERGY, 2003 , vol. 28, no 14, pp. 1427-1443

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Summary:

This paper introduces a novel concept of mini-hybrid solar power plant integrating a field of solar concentrators, two superposed Organic Rankine Cycles (ORC) and a (bio-)Diesel engine. The Organic Rankine Cycles include hermetic scroll expander-generators1 and the sun tracking solar collectors are composed of rows of flat mirror bands (CEP) arranged in a plane, that focus the solar energy onto a collector tube similar to those used in SEGS plants in California. Waste heat from both the exhaust gases and the block cooling of the thermal engine are also heat sources for the ORCs. Such units meet electricity, cooling and pumping needs of remote settlements. The thermal engine guarantees a minimum level of both power and heat availability at night or during cloudy periods. Laboratory tests, made with the superposed ORCs only, confirmed adequate operational characteristics with good performances over a broad range of conditions. A few preliminary tests on the site of the solar power plant when coupled with the engine confirmed a reasonable behavior and the interest of the concept even at part load or during sharp variations of the thermal supply.

2002

Multicriteria Optimisation of Small Hybrid Solar Power System

Scientific paper

Kane Malick, Daniel Favrat

Europ Solar Congress (EuroSun), 2002

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Summary:

A new concept of small hybrid solar power system (HSPS) has been successfully demonstrated in the context of a project called SPS (Solar Power System). This plant integrates two rows of solar collectors, two superposed Organic Rankine Cycles (ORC) each equipped with a scroll hermetic expander-generator and a heat engine. In operation with solar energy only, the heat is supplied by a thermal fluid (presently pressurized water) heated in the vacuum insulated focal tubes of sun following, flat concentrators made of series of thin plate mirrors (CEP). In hybrid mode additional heat is supplied by heat recovery from the exhaust gases of the engine in series with the solar network and by a separate network recovering heat from the cooling of the engine block at an intermediate temperature level. This paper presents the results of a multi-criteria optimization of a 22 kWe HSPS, including aspects such as energy performance, economic and financial analysis, and environemental aspects. The so called mini-maxi methodological approach with genetic algorithm is used considering three principal criteria such as the energy efficiency of the superposed ORCs, the minimal cost of the installation and the minimum emission of CO2 . Taking into account of the solar radiation time dependence, the elecricity supply variation and the change of configuration (night and day operation), the performance analysis is based essentially on the yearly energy simulation in which the off-design physical models of components are considered. A comparison of HSPS with pure fossil fuelled Plants (DEPU-Diesel Engine Power Unit) is reported for the same electrical power load curve, with an economic sensitivity analysis. Results show that the solar electricity costs are still high and depend considerably on the size of the Solar Field (the HSPS Levelized Electricity Cost with 5 to 16% of annual solar share is about 17% to 49% higher than a similar size Diesel Engine Power Unit). However, a reduction of CO2, emission up to 26% could be obtained when replacing the Diesel Engine Unit by a similar HSPS. Those hybrid solar thermal power systems may already be competitive if a tax of about 42 Swiss cts/kgCO2 would be considered.

Small Hybrid Solar Power System: First Field Test Results

Scientific paper

Kane Malick, Samuel Martin, Daniel Favrat

International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (HEFAT), 2002

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Summary:

This paper presents field tests of an original concept of a small hybrid solar power plant integrating three technologies: hermetic volumetric scroll expander-generators installed in two superposed Organic Rankine Cycles (ORC), a (bio-)Diesel engine with heat recovery exchangers and a solar field made of two rows of sun following flat plate concentrators with vacuumed isolated collector tubes. The basic idea of the concept is to exploit the synergy between equipment, use cheap and maintenance free expander- generators, guaranty power availability at all time and improve the efficiency of the engine when it has to operate alone at night time by converting the waste heat with the solar ORC. This type of hybrid power plant is intended for rural electrification purposes in developing countries or cogeneration in applications like heated swimming pools in other countries. Pressurized hot water is used at this time as a thermal fluid in the collectors with HCFC123 in the topping cycle and HFC134a in the bottoming cycle. The field tests have been performed during the summer 2001 in Lausanne (Switzerland) and the pland proved operationally reliable. However performance results (with exergetic efficiencies up to 45%) did not meet the expectations but measures to improve the concept have been identified

2001

Intégration et optimisation thermoéconomique & environomique de centrales thermiques solaires hybrides

Doctoral thesis

Kane Malick

2001, Switzerland : Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. 190 p.

Favrat Daniel

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Summary:

Parmi les techniques de conversion d'énergie solaire en électricité, la voie électrothermosolaire à l'aide de cycle de Rankine et de turbine à vapeur est, à grande échelle, celle qui permet de se rapprocher le plus du coût de production économiquement viable (320 MWe des centrales SEGS californiennes). Les progrès technologiques récents ouvrent des perspectives intéressantes aux concepts de centrales solaires hybrides avancés tels que : a) les concepts dits ISCCS (Integrated Solar Combined Cycle System) basés sur l'intégrtion de capteurs cylindro-paraboliques à des cycles combinés permettant d'optimiser autant que possible l'efficacité du cycle en mode fossile simple, et b) les concepts dits HSTS (Hybrid Solar Tower System) utilisant des héliostats à haut rendement de conversion permettant l'intégration du solaire à un niveau d'exergie plus élevé pour le préchauffage ou le chauffage complet en pointe de l'air de combustion des turbines à gaz. Le présent travail contribue au développment de nouveaux outils méthodologiques ouvrant la voie à la conception, à l'optimisation et à la réalisation de centrales solaires hybrides performantes.

2000

Thermoeconomic Analysis of Advanced Solar-Fossil Combined Power Plants

Scientific paper

Kane Malick, Daniel Favrat, Klaus Ziegler, Yassine Allani

International Journal of Applied Thermodynamics, 2000 , vol. 3, no 4, pp. 191-198

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Summary:

Hybrid solar thermal power plants (with parabolic trough type of solar collectors) featuring gas burners and Rankine steam cycles have been successfully demonstrated by California's Solar Electric Generating System (SEGS). This system has been proven to be one of the most efficient and economical schemes to convert solar energy into electricity. Recent technological progress opens interesting prospects for advanced cycle concepts: a) the ISCCS (Integrated Solar Combined Cycle System) that integrates the parabolic trough into a fossil fired combined cycle, which allows a larger exergy potential of the fuel to be converted. b) the HSTS (Hybrid Solar Tower System) which uses high concentration optics (via a power tower generator) and high temperature air receivers to drive the combined cycle power plant. In the latter case, solar energy is used at a higher exergy level as a heat source of the topping cycle. This paper presents the results of a thermoeconomic investigation of an ISCCS envisaged in Tunisia. The study is realized in two phases. In the first phase, a mixed approach, based on pinch technology principles coupled with a mathematical optimization algorithm, is used to minimize the heat transfer exergy losses in the steam generators, respecting the off design operating conditions of the steam turbine (cone law). In the second phase, an economic analysis based on the Levelized Electricity Cost (LEC) approach was carried out for the configurations, which provided the best concepts during the first phase. A comparison of ISCCS with pure fossil fueled plants (CC+GT) is reported for the same electrical power load. A sensitivity analysis based on the relative size of the solar field is presented.

Concept d’une minicentrale électro-thermo-solaire hybride adaptée aux pays en voie de développement

Scientific paper

Kane Malick, Robert Zanelli, Emanuel Glausser, Yassine Allani, Daniel Favrat

Conférence Internationale Energie Solaire et Bâtiment (CISBAT), 2000 , no ISSN: 0368-4466, pp. 103-108

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Summary:

This paper presents the analysis of an original design of small hybrid solar plant using Organic Rankine Cycles with hermetic scroll expander- generators. The hot supply is provided from vacuumed collector tubes along the focal line of solar concentrators made of mirror bands fixed on a plane surface (CEP). The plant is integrated with a cogeneration Diesel engine unit to ensure power availability independently from the variations of solar radiation. It is primarily intended for isolated sites in developing countries. Measurements on the power unit of 13 kWel show an excellent behavior over a broad range of parameters with an efficiency of the order of 18% (50% exergetic efficiency), which is very promising, particularly when considering that the concept of superposed cycles will allow operations at higher supply temperatures with further technological developments.

1999

Synthesis and optimization approach for integrated solar combined cycle systems based on pinch technology. Part I. Heat recovery pressure levels

Scientific paper

Kane Malick, Daniel Favrat

Revue Générale de Thermique, 1999 , vol. 38, no (6):, pp. 501-511

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Summary:

Integrated solar combined cycle systems (ISCCS) represent, both economically and energetically, a promising alternative for the conversion of solar energy while offering a guarantee of a minimum power supply independent of the level of solar radiation. Their performances are, however, strongly dependent on the intensity of the solar input. The approach proposed in this paper allows, from the characteristics of the turbines (gas turbines and steam turbines) and of the solar field, to rationalize the choice of the pressure levels and of the massflows of a steam cycle with multiple pressure levels. It is based on the coupling of a pinch technology approach with a thermodynamic modelling, allowing an optimisation with deterministic algorithms. Results are applied to a dual pressure steam cycle and account for the respect of the 'cone law' for steam turbines. It is shown that an increase of the exergetic losses linked to heat transfer in the steam generators is inevitable at certain operational regimes and depends directly on the level of solar supply. The variations of the main steam cycle parameters as a function of the thermal supply (combustion gases + solar thermal oil) are shown for an 80 to 120 MWe power plant equipped with two gas turbines and one steam turbine train. (C) Elsevier, Paris.

Synthesis and optimization approach for integrated solar combined cycle systems based on pinch technology. Part II. Heat exchanger network

Scientific paper

Kane Malick, Daniel Favrat

Revue Générale de Thermique, 1999 , vol. 38, no (6):, pp. 512-524

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Summary:

Steam production units (HRSG and HSSG) of ISCCS include several heat exchangers (economizers, evaporator, superheater, reheaters, etc.). The knowledge of the extended composites as a function of the solar input, allows the determination of the most critical zones for heat transfer but does not allow, in itself, the full knowledge of the real streams needed to be able to design an optimum heat exchanger network. The procedure proposed in this paper permits, from: so called interaction factors which characterize the interdependancy between streams, the determination of the massflows in each stream. The choice of the best heat exchanger network must respected, for each set of operational conditions, the optimum evaporation levels (including pressures and temperatures) determined in part I, as well as the particular practical operational factors (independence or not between the various heat recovery units, etc.). The network design is performed using the standard guidelines of pinch technology (respect of the minimum pinch Delta T-min for each heat exchanger close to the pinch temperature, separate design of the zone above and below the pinch temperature, etc.). The respect of the Delta T-min in the critical zones of heat transfer requires the use of stream splitting and the network includes heat exchanger tubes which are interlaced at the same level of the stack. One example of the best performing powerplant designed on the basis of this approach is given. (C) Elsevier, Paris.

SPS-Projet d’une minicentrale pilote électro-thermo-solaire de 10 kWe - Partie A : Centrale solaire hybride

Report

Kane Malick, Frédéric Brand, Daniel Favrat

1999, EPFL-Laboratoire d'Energétique Industrielle : Office Fédéral de l'Energie (OFEN), 30 p.

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Summary:

Thermal solar power plants using Rankine cycles closely approach the present economical electricity prices, at least in the large power range. One of the advantages currently explored is the integration with other fuel based technologies in order to ascertain a given power disponibility and to increase the use of the investment in the power unit. This paper presents the analysis of an original design of small hybrid solar plant including: a) A power unit of Superposed Organic Rankine Cycles equipped each with hermetic scroll expander-generators (scroll orbital type) with an installed total capacity of 12 kWe. Each turbine works with a new lubrication system whose feasibility, simplicity and robustness are experimentally confirmed. b) A Solar Plate Concentrating Reflector (CEP) unit equipped with mirror bands fixed on a plane surface which focalize solar energy on the vacuumed collector tubes. Only one array of 50 m2 (against 100 m2) of the solar field is assembled and tested. The realization of the second line of collectors is planned. c) A 15 kWel cogeneration Diesel engine unit to ensure power availability independently from the variations of solar radiation with a self regulation system. A total thermal power of 34.5 kW can be recovered. The following performances are expected: 12% of efficiency for the solar operation mode (Electricity power / Solar thermal incident) and 22% for the solar hybrid operation mode (Total Electricity Power / Solar thermal incident + Fuel Power). This concept presented can be used for several applications such as industrial waste heat recovery, domestic cogeneration etc… - - - - - - - - - - - - - - - - - Dans le cadre des projets précédents, le LENI en collaboration avec COGENER et avec le support de l’Office Fédéral de l’Energie (OFEN) a étudié le concept d’une centrale électro-thermo-solaire de 10 kWe. Cependant l’analyse des coûts globaux de la centrale, dimensionnée à la base pour fonctionner avec du solaire seul, avait conduit à l’option d’une réduction de la taille du champ de capteurs solaires à 96.4 m2 au lieu des 159 m2 initialement prévus. Le cycle thermodynamique de conversion devait être réadapté en tenant compte d’une source d’appoint thermique pouvant garantir la disponibilité de puissance. D’où l’idée de réaliser une hybridation au moyen d’une unité moteur de cogénération qui, de toute façon, représente une des voies parmi les plus prometteuses d’introduction du solaire par la production d’électricité. Le présent projet vise deux points essentiels. D’une part développer des outils de recherche nécessaires pour le développement d’un système solaire énergétique intégré, et d’autre part valoriser ces outils dans le cadre d’une unité pilote de centrale hybride (HSPS : Hybrid Solar Power System) permettant de mesurer ses performances et de caractériser son potentiel d’amélioration. Différentes études (modélisation des composants, méthode de dimensionnement, programme Solar Power System...) présentées en détail dans le rapport précédent intitulé "CSIP3: Projet détaillé d’une minicentrale pilote électro-thermo-solaire de 10 kWe" ne seront pas reprises. L’analyse du concept global de la centrale hybride a été présentée dans le cadre de la conférence CISBAT99, Concept d’une minicentrale électro-thermo-solaire hybride adapté au pays en voies de développement. La description de certaines parties de cette publication (la machine thermique, l’unité de cogénération...) sera complétée avec des supports techniques présentés en annexes. Pour les aspects du champ de capteurs, nous faisons références au rapport fourni par COGENER.

1998

Projet PAESI (Projet d’Aménagement Energétique Solaire Intégré), phase II. Etude des Risques Techniques et Economiques.

Report

Kane Malick, Daniel Favrat, Danilo Cretegny, Yassine Allani, Rudolf Minder, Klaus Ziegler

1998, EPFL : LENI, 180 p.

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Summary:

Au cours des différentes études techniques du projet de la présente phase, et après avoir déterminé un site et analysé la fiabilité du gisement solaire, nous avons pu explorer les approches d'analyse conceptuelle et de gestion opérationnelle adaptées à un tel concept, et identifier les éventuels risques techniques. L'analyse de ces derniers a pu être entamée, tout en sachant qu'ils seront supportés essentiellement par le promoteur, éventuellement de type IPP.

En collaboration étroite avec la STEG, nous avons pu arrêter le choix d'un concept technologique définitif ainsi que les dimensions des équipements principaux de production de la centrale. Avec la méthodologie développée certaines caractéristiques dimensionnelles et de gestion de la centrale peuvent être également ajustées en fonction d’une gamme variées de critères d'optimisation. Divers aspects liés à la flexibilité de gestion de la centrale, à son intégration dans le parc de production de la STEG ainsi qu’à la prévision des performances journalières et annuelles ont été étudiés.

Une collaboration étroite avec KJC (Kramer Junction Company, opérateur de centrales solaires SEGS en Californie (150 MWel des 320 MWel), opérationnelles et économiquement viables, nous permet de :

contrôler les performances du champ de capteur selon leurs modèles.
profiter de leur expérience pour l'évaluation du comportement des composants classiques de la centrale PAESI dans le cas d'une combinaison avec un champ solaire.

1997

Projet détaillé d’une minicentrale pilote électro-thermo-solaire de 10 kWe (CSIP3)

Report

Kane Malick, Yassine Allani, Daniel Favrat, Robert Zanelli

1997, EPFL : Office Fédéral de l'Energie, 200 p.

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Summary:

CSIP3. Projet détaillé d’une minicentrale pilote électro-thermo-solaire de 10 kWe. (CEP3: Capteur solaire à concentrateur extra-plat et estimation du gisement solaire. Turbine scroll. Dimensionnement, optimisation thermoéconomique et étude à charge partielle, stand et essais de capteurs).

2021

An exergy-based methodology to determine thermal network's optimal temperature level

Conference ArODES

Yolaine Adihou, Malick Kane, Julien Ramousse, Bernard Souyri

Proceedings of Ecos 2021, 34th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, 28 June - 2 July 2021,Taormina, Italy

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Summary:

The global inefficiency of our energy systems forces us to no longer think energy but exergy, as exergy analysis integrates the notion of energy degradation. As thermal networks are a combination of multiple subsystems, exergy analysis is a relevant method to understand the interactions between them and to identify the sources of inefficiencies within the whole system. In order to precisely locate the latter, our models need to integrate exergy formulation as a function of design and operating parameters. Previous work presented an explicit analytic expression of the exergy losses in a distribution network as a function of geometric and thermo-hydraulic parameters. The distribution network was considered as an aggregated entity, assuming an average diameter and a total length. It was shown that, as thermal networks are transitioning to low temperatures, pressure drops are no longer negligible in the distribution system. Moreover, an optimal diameter exists, minimizing global exergy losses, as a function of the network’s nominal power. Given these observations, this work aims at generalizing the methodology previously developed to an entire network, by determining exergy losses on each segment, from the central production unit to substations. The previous model is extended to include energy systems and now describes more precisely the internal viscous dissipation sources (elbows, valves) in order to accurately describe the performance of low-temperature thermal networks. The topology and structure of blueCAD (blueFACTORY’s advanced thermal network in Fribourg - Switzerland) is used to highlight the impact of temperature level on the exergy losses of a global system and thereby determine the optimal temperature level.

Méthodologie d’étude des performances exergétiques d'un réseau anergie :

Conference ArODES

application au réseau d’Estavayer-le-lac (Suisse)

Yolaine Adihou, Malick Kane, Simon Rime, Julien Ramousse, Julien Souyri

Actes du 29ème Congrès français de thermique (SFT 2021), 1er-3 juin 2021, Belfort, France

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Summary:

A methodology for assessing the exergy performance of an anergy network coupled with decentralized heat pumps (PACs) is presented. Thermal and hydraulic models are calibrated according to experimental data of a sub-lake pipe. The overall exergy performance of the network is studied according to the temperature level variation. The methodology is then applied to predict seasonal temperature variations entering the heat pumps and cooling exchangers of the Intercantonal Hospital of La Broye (Switzerland).

Performance analysis of a vapor-extraction heat-pump system for district heating/cooling applications

Conference ArODES

Malick Kane, Aziz Mbaye

Proceedings of 13th IEA Heat Pump Conference, 26-29 April 2021, Jeju, Korea

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Summary:

2020

"Quantum networks" :

Conference ArODES

a new approach for representing a network and evaluating hydraulic and thermal losses in district heating/cooling systems

Malick Kane, Jérémy Rolle

Proceedings of ECOS 2020 - The 33rd International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, 29 June - 3 July 2020, Osaka, Japan

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Summary:

District heating networks (DHN) are becoming an energy-saving and cost-effective alternative to conventional conversion systems (boilers, chillers, combined heating and power systems) and appear as a vector of the energy transition because of the diversity of the energy sources that can be used for their operation. They are increasingly used in cogeneration and more efficiently when operating at lower temperature levels. Indeed, many previous works were able to simulate thermal and hydraulic losses of different structures of networks. These works have been carried out in several European countries, notably in Switzerland, Great Britain but also in countries such as Denmark and Sweden. The approach for representing the networks and the simulation models could be complex to use for a general optimization purpose. This paper presents a new approach and methodology to represent the structure of the network in order to simplify models while performing accurate calculations for the thermal and hydraulic losses in the systems. The key parameters for the design and operation of the advanced heating/cooling network such as the nominal capacity of the network and the range of the working conditions (flow rates, minimum heating/cooling capacity, differential temperature on the substations) can be easily defined in hourly basis. A typical application for a set of high-performance buildings in the BlueFACTORY district (Fribourg, Switzerland) has been considered to simulate different structures (branched, mesh or mixed network systems) of advanced thermal networks. The performances, in term of pressure drop and thermal losses on the pipes, are determined in function of the geometric and operational parameters of the network. It includes the configurations of decentralized substation units (heat exchangers, heat pumps, or mixed substations) for heating and hot water production.

ECOS 2020 :

Conference ArODES

Alternative solutions for the optimal integration of decentralized heat-pumps in district heating/cooling networks

Simon Rime, Malick Kane, Sarah Wyler

Proceedings of ECOS 2020 - The 33rd International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, 29 June - 3 July 2020, Osaka, Japan

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Summary:

The new low-grade district heating (DH) networks operate at temperature levels of around 8-12°C and use decentralized heat pump (HP) units to raise the temperature in buildings for heating and domestic hot water (DHW) production. Such advanced networks have the advantage of being able to serve both for heating (in winter) and cooling (in summer) but correspond to significant pressure losses because of the low differential temperature on the primary network. Also, the performance of the heat pumps depends strongly on the temperature of the network. A high pinch differential temperature between the DH network and the temperature level of energy supply for heating and hot water process in the building corresponds to an important consumption of electricity in the decentralized HP units. This paper presents new solutions and configurations of integrating heat-pumps in advanced district heating/cooling networks in order to minimize the pinch temperature while allowing high differential temperatures on the primary network, then minimizing both the flow rate on the networks and the total exergy losses. Thermodynamic models of heat-pumps have been developed in order to simulate different configurations of integration where the performances in term of exergy efficiency on the substation are determined in function of the temperature of the network and the differential temperature on the primary network. The models have been applied: first to simulate the performance of a reference heat-pump system based on a classical “anergic” low-temperature (8/12°C) advanced heating/cooling network and also to compare with the proposed integrated HP system. Results show that an exergy efficiency of the substations units of more than 55% can be achieved for the proposed concepts, reducing electricity consumption of about 20% compared to the “anergic” DH network decentralized heat-pumps.

An exergy-based district heating modeling for optimal thermo-hydraulic flow distribution :

Conference ArODES

application to BlueFactory’s Smart Living Lab neighborhood

Yolaine Adihou, Malick Kane, Julien Ramousse, Bernard Souyri

Proceedings of ECOS 2020 - The 33rd International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, 29 June - 3 July 2020, Osaka, Japan

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Summary:

Low temperature district heating networks can provide a highly efficient low carbon heat supplier with great potential in improving heat distribution while minimizing exergy losses. However the interest in performing exergy analysis is hardly comprehensive for industry as it rarely gives explicit details on district heating systems design and operation. Moreover, most of exergy assessments are based on the assumption of neglecting pressure losses whereas low temperature district heating networks usually operate at low differential temperature corresponding to high flow rates and then significant pressure losses. Consequently, the latter are no longer negligible when compared to thermal losses. An exergy formulation as function of thermal and pressure losses is therefore essential to assess low temperature DH networks. This paper presents an exergy-based methodology to design low temperature networks for an optimal thermo-hydraulic flow distribution. It addresses an explicit analytic expression of exergy losses as a function of geometric and thermo-hydraulic parameters. A detailed exergy model is performed to identify influencing parameters and conclude on a simplified formulation of exergy losses. The method is tested on the conception of the evolving thermal network for the BlueFactory site in Fribourg (Switzerland) composed of 11 buildings with a total surface area of 74500 m2 .

2018

Energy and performance evaluation of a new concept of advanced solar district heating/cooling networks for energy supply in buildings

Conference ArODES

Malick Kane, S. Grosjean, Jérôme Kaempf

Proceedings of 5th International Solar District Heating Conference, Graz, Austria, 11-12 April 2018

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Achievements

PEOPLE@HES-SO
Directory and Skills inventory

Kane Malick

Professeur HES associé

Main skills

Applied thermdynamics

Energy modeling and simulation

Heatpump and refrigeraton systems

Renewable energy technologies

District heating/cooling networks

Cogeneration systems

Thermoeconomics and Optimisation

Professeur HES associé

PEOPLE@HES-SO Directory and Skills inventory

Kane Malick

Professeur HES associé

Main skills

Applied thermdynamics

Energy modeling and simulation

Heatpump and refrigeraton systems

Renewable energy technologies

District heating/cooling networks

Cogeneration systems

Thermoeconomics and Optimisation

Professeur HES associé

PEOPLE@HES-SO
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