Efficacité Energétique dans l’industrie : une appro he ... · industriel, territoire Capteurs, métrologies, exploitation de données, digitalisation Techniques de fabrication

Colloque Energie du CNRS – 29 janvier 2018

Efficacité Energétique dans l’industrie : une approche multi-échelle nécessaire

Fabrice Lemoine

LEMTA – UMR 7563 – Université de Lorraine - CNRS

Colloque Energie du CNRS – 29 janvier 2018Colloque Energie du CNRS – 29 janvier 2018

L’efficacité énergétique

Etat de fonctionnement d'un système pour lequel laconsommation d’énergie est minimisée pour un service renduidentique.

L’efficacité énergétique permet de modérer la demande etparticipe fortement à la réduction des émissions de GES


Tous les secteurs sont concernés !

Technologies de l’information et de la communication


Cadre français

• Stratégie Nationale de Recherche (2013) ORIENTATION 8 / Efficacité énergétique

Les efforts de recherche et d’innovation doivent être poursuivis pourlimiter les besoins énergétiques dans les secteurs du bâtiment, destransports et des systèmes productifs. Pour être efficaces, les solutionsdéveloppées devront combiner différentes technologies innovantes(nouveaux isolants, récupération de chaleur, optimisation desmoteurs, compteurs intelligents…), une évolution des comportementsd’acteurs, des logiques collectives et des dispositifs d’incitation et dediffusion.


Cadre Européen : l’Union de l’Energie

• la sécurité énergétique,

• la pleine intégration du marché européen de l’Energie ;

• l’efficacité énergétique comme moyen de modérer la demande ;

• la « décarbonisation » de l’économie ;

• la recherche, l’innovation et la compétitivité.


Contexte européen

6

EU Energy Winter Package (horizon 2030)30 novembre 2016

“Putting energy efficiency first : consuming better, getting cleanerA 30% energy efficiency target, efficient buildings, clarified ecodesign framework and measures, smarter finance to help Europe grow while meeting its climate goals easer”


Des dépenses publiques de R&D en hausse dans le domaine de l’efficacité énergétique

(pays membres de l’AIE)


Un rôle clef des technologies pour réduire l’intensité carbone de l’industrie

Etude decarbonization wedges (ANCRE)


Les grands axes de la R&D

• Développement d'équipements et de procédés plus performantso Production de chaleur par combustion (combustion en régime dilué :

aérodynamique, oxy-combustion)

o Procédés de séchage et de déshydratation (modélisation des mécanismes, rhéologie)

• Production de froid (fluides frigorigènes, systèmes à sorption, froid magnétique, thermoélectricité, effet thermo-acoustique, stirling)

• Intégration énergétique plus performante o Méthodologies d’IE (procédés discontinus, déphasage offre/demande)

o Récupération et valorisation de chaleur fatale

Approche multi-échelle nécessaire


L’efficacité énergétique dans l’industrie : une approche multi-échelle nécessaire

Echelle locale

Phénomènes élémentaires

Echelle du composant

Echelle système

Plusieurs fonctionnalités

Echelle de l’Usine

Echelle du territoire

Procédés


Une approche multi-échelle nécessaire

• Intensification des transferts (chaleur, matière, réactions chimiques)

Local

Transferts, Interfaces

• Design (matériaux, fluidique, thermique)

• Optimisation, fabrication

Composant• Intégration énergétique

•Optimisation

•Contrôle/commande

Système, procédés

• Recherche de synergie

• Intégration énergétique

• Optimisation, co-simulation

Usines, territoire

Fabrication additiveMatériaux innovants (multi-matériaux, composites)


Echelle locale : intensifier les transferts

• Un exemple : transferts avec changement d’état

Mise au point d’un condenseur plus efficace (MIT)

Tube de cuivre lisse hydrophile → condensation en filmSaturation et isolation = efficacité dégradée(source : MIT Open Access Articles)


Après traitement de surface : CuO nanostructuré → surface superhydrophobe

1- Coalescence

2- « Jumping droplets »

3- Surface « démouillée »

Surface démouillée = surface efficace


Coefficient de transfert q" T

Gouttes « éjectées »

Gouttes

Film

Film

Gouttes

Gouttes « éjectées »

Efficacité : +25 %


Echelle composant, procédéL’intensification des procédés : Transferts de chaleur, Transferts de matière, Réactions chimiques

Intensifier = puissance volumique (taux de transfert) ↗

3 1 3 1Quantité transféréePuissance volumique = Mol.m . ou J.m .

V x Δt

= "Compa c it é" des transfert s

s s

Un éléments essentiel : la densité interfaciale(Luo, 2013)

1Aires des interfaces cumuléesS = m

= "Compacité"V

géométrique


Intensification des transferts et des procédés

• Intensification énergétique : réduire la quantité d’énergie requise, ou la qualité de l’énergie (par ex. en recyclant la chaleur fatale), pour un même service = ↗ efficacité énergétique

• Intensification de la productivité chimique (kg.m-3.s-1)

• Intensification de la compacité (masse, volume) → miniaturisation

(unités de production compactes, systèmes embarqués)

• Intensification temporelle : accélérations transferts, des cinétiques (catalyse)

• Intensification fonctionnelle : assembler plusieurs opérations unitaires, polygénération (électricité, chaleur, froid)


Réacteurs intensifs de vaporeformage

Procédé industriel de

reformage du méthaneRéacteurs-échangeurs

microstructurés

fumées

produits

réactifs

Procédé global

repensé

Matériaux

spécifiques

Protections

de surface

AssemblageCatalyseurs

Conception du réacteur basée

sur couplages forts (chaleur,

matière, réaction hétérogène)

FUI

𝑪𝑯𝟒 +𝑯𝟐𝑶 ↔ 𝑪𝑶 + 𝟑𝑯𝟐


Une approche multi-échelle indispensable

Canal Plaque Module PiloteCatalyseur

+ transferts + parallélisme + fabrication + procédé

Échelle expérimentale

Échelle expérimentale

Quelle géométrie optimale pour un

canal ?

Comment distribuer uniformément le

fluide ?

Comment assurer la résistance thermo-

mécanique du module ?


Des couplages multiples à prendre en compte

Modélisation d’une ailette thermique réactive• Optimisation de la réaction catalytique• Optimisation des transferts de matière• Optimisation des transferts de chaleur• Intégration énergétique de l’ensemble

Importance de couplages transferts /réactions chimiques


Des échangeurs innovantsAluminium → Acier inoxydable• Plus de capacité thermique• Limite du flux thermique dans le plan• 400 bars, 900°C• Compacité → fabrication


Lutter contre l’encrassementUn gage d’efficacité dans la durée

Couche d’encrassement

Surface d’échangeGaz chaud

Gaz froid

Excitation thermique transitoireAdmittance thermique

Signature thermique de la couche d’encrassement

Contrôle en temps réel et en ligne Maintenance préventive Une préservation de l’efficacité énergétique dans le temps


L’intégration énergétique : procédés, usine et territoire

• La chaleur industrielle est très majoritairement produite à partir de combustible

• 270 TWh consommés (69% fours et séchoirs)

Un enjeu majeur : la récupération et la valorisation de la chaleur fatale


La chaleur fatale : typologie et niveau de température

Basses T° Moyennes T° (Très)-hautes T°

Typologiedu rejet


Exemple de l’industrie sidérurgique

24

STEEL

Soufflage de gaz chauds

1500°C

• Gisement très important de chaleur

• Gisement à très haute température

• Forte dégradation d’exergie pour la majorité

• Beaucoup de pertes entre 50°C (eau de refroidissement) et 300°C (fumées)


ISIJ Heat Economy Technology Committee

⑭Sintering Machine Exhaust

⑩Coke Oven Combustion Exhaust

⑪Hot Stove Exhaust

⑥Heating Furnace Exhaust

⑫BFG SH

⑦COG SH

①BOFG SH

④Coke SH

⑨Sintered-ore SH

②BF Slag SH

③BOF Slag SH

⑤Slab SH

⑧Product SH

⑮Cooling Water SH

⑬Radiant Heat Loss

Hot Strip Mill

Amount of Waste Heat [MJ/T-crude steel]Waste Heat Temperature[℃]

02004006008001000120014001600 8007006005004003002001000 900

unrecovered recoveredBOFG boiler

CDQ

HCR

Recuperator

Sinter Cooler Heat

Recovery

Stack Gas Heat Recovery

Hot Stove Waste-heat Recovery

TRT

SH…Sensible Heat

Need breackthrough new processes

Low temperatureenergy recovery(< 350°C)

Un exemple de bilan enthalpique d’une aciérie

(source Arcelor-Mittal)


Haute T° Moyenne T° Basse T°

RayonnementConvection

Régénérateur Echangeur à ailettes Caloducs Régénérateurs

rotatifsEchangeurs à condensation

Condenseurs àmembrane

Pompe à chaleur

Moteur Sirling

Effet magnétocalorique (roue) de Curie)ThermoélectricitéEffet thermophotovoltaïque

Cycles thermodynamiques

Conversion directe

Mécanismes locaux (compétition turbulence/échange de chaleur), intensification, encrassement, stockage

Ch

ale

ur

Ele

ctri

cité

(Micro)Cogénération

Système à deux échangeurs

Turbine à éjectionCycles organiques de Rankine (ORC)

Optimisation, ingénierie fluidique et thermique, intégration système

MatériauxCycle Rankine Cycle Kalina

Les différentes voies de récupération de la chaleur fatale


• Absorption volumique• Surface d’échange

spécifiques élevée• Matériaux conductifs

et capacitif

Récupération de chaleur à haute température

Mousses céramiques (SiC, Alumine)(absorption du rayonnement solaire concentré)

Source de rayonnement Infra-rouge

1000K, IR moyen

Flux d’air froidFlux d’air réchauffé

Utilisation d’absorbeur à mousse métallique

• Transferts radiatifs vers la matrice solide• Transferts conductifs et convectifs (solide-air)• Propriété thermiques et optiques de la matrices doivent être optimisées

1000 K

3 µm


La turbine à éjection

Captation de la chaleur fatale par deux fluides : un fluide caloporteur (huile) et un fluide thermodynamique (eau/vapeur)Transfert de chaleur huile → eau lors de la détente(quasi-isotherme)

Un accélérateur diphasique qui provoque une forte accélération du mélange lors d’une détente quasi-isotherme.

L’utilisation d’une turbine à action de type Pelton connue pour sa robustesse et ses bonnes performances (CAPEX réduite).

Verrous• Modalisation et caractérisation de

l’écoulement compressible diphasique • Optimisation globale en fonction du

niveau de température des rejets thermiques

Turbine à éjection (procédé TURBOSOL): conversion de chaleur fatale > 300°C en électricité (100 kWe)


• Récupération d’énergie thermique par éléments thermoélectriques (gamme de températuresmoyennes) :

• Conversion directe chaleur → Electricité

• Accroître le rendement de conversion (5%)

• Augmenter le facteur de mérite ingénierie des phonons

Bi2Te3

Nanofil « cœur-coquille » & nanotubes, diffusion des phonons, transport des électrons => augmentation de ZT

Synthèse électrochimique (IJL)

Optimisation par simulation dynamique moléculaire (LEMTA)

2 ZT S T

Nanotube Bi2Te3

Attention aux coûts, à la criticité des matériaux !

Thermoélectricité : conversion directe chaleur → électricité


Récupération de chaleur à basse température par effet magnétocalorique: la roue de Curie

Applications

Valorisation d’effluents basse température

(dépend de la température de Curie du matériaux) Récupération directe de chaleur

solaire

Alliage Ni-Fe Gd MnAs (Ce La)(Fe Si Co)13 : (faible température de Curie)

Matériau magnétocalorique

Aiment permanentChaud Froid

A la base : l’effet magnéto-calorique


L’efficacité énergétique : bien au delà de l’usine ! L’écologie industrielle (éco-parc) : un moyen de mettre en œuvre des synergies et des symbioses- Valorisation des coproduits(énergétiques ou non)

- Des rejets thermiques Optimisation technico-économique Barrière réglementaire levée Modèle économique intégré Confiance en les acteurs

Symbiose Kalundborg (DK)


Vers une démarche d’écologie industrielleOPTISITE : Optimisation énergétique, économique et environnementale des sites et territoires industriels

(CVT ANCRE)


Disposer d’outils de simulation performants : une nécessité

Nécessité de disposer maquettes numérique d’écoparcs industriels Outils de modélisation, de simulation, de co-simulation et d’optimisation

MiddlewareIntégration formelle de

logiciels• Process continu• Evènements

discret (réseaux télécom)

Software1

Software2

Software3

• Post-traitement

• Outils d’aide à la décision

• Impact environnemental

• Coût, ROI• Bilan CO2• Efficacité énergétique

Simulateurs dédiés

Plateforme d’intégration énergétique

Intégration énergétique

Evaluation de performances

Optimisation multi-objectifs

Modèles physiques

• OSMOSE (EPFL• CERES (Mines Paris Tech)


Conclusions : une nécessité de travailler à toutes les échelles

ObjectifsAccroître le

nombre d’évènements moléculaires

Homogénéité en terme de processus

Optimiser la force motrice

(gradients), la surface spécifique

Optimiser les synergies

Echelles Echelle moléculaire

Mésoéchelle, Particules fluides

Nanostructure

Composant, sous système

Usine, parc industriel, territoire

Capteurs, métrologies, exploitation de

données, digitalisation

Techniques de fabrication innovante

HydrodynamiqueTransferts

Procédés


Conclusions L’efficacité énergétique n’est pas un problème réservé aux sciences

physiques et technologiques Economie : modèles économiques innovants dans un contexte d’énergie

encore peu chère, économie de la fonctionnalité

SHS : gouvernance, jeux d’acteurs, ergonomie des nouveaux modes de consommation d’énergie (interfaces Homme-technologies)

Digitalisation (TIC) au service de l’EE: capteurs, métrologie, exploitation des données massives, maquettes numériques

N’oublions pas la formation des acteurs

Documents

Efficacité Energétique dans l’industrie : une appro he ... · industriel, territoire Capteurs, métrologies, exploitation de données, digitalisation Techniques de fabrication