PARCOURS E - ademe.fr · Tubes à structures améliorés pour la réfrigération de gaz ou de liquide ou pour la condensation ... Couplage du séchage du papier à la vapeur d’eau

PARCOURS E

EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE DANS L’INDUSTRIE

• CBE

• DIESTA-TUBESIDE

• EMA

• FLEXIFROID

• GCG

• GEPPI

• GREEN HSM

• INTHERCOMM

• IONOPAC

• ORC ABC

• ORCHID +

• PACO 2

• RECIF

• RREFLEX

• SÉCHAGE VES +

• SEMISOL

• SESAME

• SOLARWOOD

• SONATE

• TDDRAC

• TURBOSOL

• VALTA

• WATT CHV 2

Consolidation des besoins énergétiques sur une plateforme industrielle et mise en œuvre decapteurs logiciels

Tubes à structures améliorés pour la réfrigération de gaz ou de liquide ou pour la condensation

Echangeur microstructuré compact à plaques et ailettes brasées en acier carbone

Effacement des entrepôts frigorifiques de surgelés : évaluation de l’impact énergétique etdu risque produit

Générateur de coulis de glace industrialisé d’une puissance de 150 kW frigorifique

Grand échangeur plaque plastique pour l’industrie

Amélioration de l’efficacité énergétique d’une machine-outil d’usinage à grande vitesse

Intégration Thermique de Colonne en Mousse Métallique

Machine à absorption à liquide ionique

Cycle de Rankine Organique à bas coût de puissance allant jusqu’à 100kwé

Amélioration des performances de la turbine ORCHID

Développement d’une CMV d’une capacité de 3t/h.

Récupérateur de chaleur innovant sur fumées

Outil logiciel Robuste pour la conception de Réseaux d’Echangeurs de chaleur Flexibles

Sécheur utilisant la Vapeur d’eau surchauffée pour des sites ayant des besoins évaporatoires > 10 t/h

Séchage par Concentrateur à miroir de Fresnel Solaire

Couplage du séchage du papier à la vapeur d’eau surchauffée avec une technologie de recompression mécanique de vapeur

L’énergie solaire : apport thermique et électrique pour l’alimentation complémentaire pour les séchoirs à bois

Tester les approches de nanostructuration sur des oxydes afin de disposer de matériaux performants à basse température pour la thermo-électricité

Turbine de détente diphasique pour les systèmes de réfrigération et d’air conditionné

Récupération de Chaleur Fatale par Technologie TURBOSOL

Valorisation de la chaleur fatale par la technologie thermoacoustique

Pilote d’un compresseur hydraulique de vapeur

PROJETS

Carte des démonstrateurs financés par le programme ADEME-TOTAL

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Nord-Pas-de-CalaisPicardie

Normandie

Pays dela Loire

AlsaceLorraine

Champagne-Ardenne

Bourgogne Franche-Comté

Centre

AquitaineLimousin

Poitou-CharentesAuvergne

Rhône-Alpes

Languedoc-RoussilonMidi-Pyrénées

Provences-Alpes-Côte d’Azur

Île-de-France

Bretagne

Légende

Banc d’essai

Site Industriel(démonstrateur restant sur le site)

VitrineTechnologique

4 - Champagnole ERASTEEL

9 et 31 - Soudan FMGC

16 - Gorcy SKTB ALUMINIUM

25a - Sète SAIPOL

19 - Grand Fougeray MAILLARD LA BAINAISE

3 et 25c- Gonfreville TOTAL

30b - Isle sur la Sorgue ROUSSELOT

25b - Bassens MICHELIN

10 - Estrees-Mons BONDUELLE

Situation en avril 2016

Projets en cours

Projets terminésN°

sur la carte

NOM ACRONYME

SUJET DE L’ÉTUDE OU DU PROJET PORTEUR DE PROJET PARTENAIRES

1 MHD Dessalement et déminéralisation par séchage et condensation à effet multiple TMW SOUS-TRAITANT

2 CSMO Séchage du pain de mie sans croûte après cuisson micro-ondes CONCEPT CONVERGENCE GRETH

3 ValiAri Couplage d’un outil de réconciliation de donnée avec un logiciel d’optimisation pour la réduction des coûts d’exploitation des centrales de production d’utilités PROSIM BELSIM, TOTAL

4 Laminoir Conversion d’un laminoir hydraulique en laminoir électrique ERASTEEL NIDEC

5 EHT Développement et démonstration d’un logiciel afin d’optimiser le transfert de chaleur dans le contexte des réseaux d’échangeurs de chaleur PROCESS INTEGRATION LIMITED TOTAL

6 Sécheur CMV Séchage de boues par compression mécanique de vapeur LABBE TECH-EVAP

7 DATCEMO Déshydratation assistée thermiquement couplant essorage et micro-ondes IFTS12M TREFLE, CETIAT, ROUSSELET ROBATEL, BERGERE DE FRANCE, ARKEMA, SANOFI

8 DIESTA-tubeside Tubes à structures améliorés pour la réfrigération de gaz ou de liquide ou pour la condensation TECHNIP KELVION, WIELAND

9 ORCHID Module utilisant la technologie des cycles organique de Rankine (ORC) pour valoriser la chaleur perdue d’une fonderie ENERTIME FMGC, CTIF

10 BRIT Blancheur-refroidisseur par système intégré de thermo-frigo-pompe BONDUELLE CLAUGER, APC, CES ARMINES, EREIE, EDF

12 GCG Générateur de coulis de glace (150kWf) par la technologie de l’hydro-raclage AXIMA REFRIGERATION ENGIE COFELY, ENGIE RESEAUX

13 MOSCA II Stockage de chaleur par matériaux à changement de phase sur des stérilisateurs STERIFLOW ICAM NANTES, INSULA FRANCE

15 Turbine ORC Bloc turbogénérateur ORC adapté à la la récupération de chaleur perdue en industrie AQYLON ENSAM

16 Four DKO Démonstration d’une chaine de production d’Aluminium recyclé pilote intégrant un four tournant basculant SKTB ALUMINIUM EUROLORRAINE, BARTZ, CM2T, ANDRIN, CRT

17 SONATE Tester les approches de nanostructuration sur des oxydes afin de disposer de matériaux performants à basse température pour la thermo-électricité. UNIVERSITE FRANCOIS RABELAIS GREMAN, CRISMAT, HUTCHINSON

18 PETRUS Etude d’un prototype d’échangeur de chaleur à plaques vibrant UNIVERSITE JOSEPH FOURIER GRENOBLE 1 SODEVA, CEA LITEN, FLORALIS

19 ECO-FRIG Dispositif de réduction des consommations d’énergie des installations frigorifiques SARL SOCAFROID MAILLARD LA BAINAISE

20 TDD-RAC Turbine de détente diphasique pour les systèmes de réfrigération et d’air conditionné EReIE CES ARMINES, BONDUELLE

25 CBE Consolidation des besoins énergétiques sur une plateforme industrielle et mise en œuvre de capteurs logiciels PROSIM SAIPOL, MICHELIN, TOTAL, PS2E

26 WATT C.H.V. Compresseur hydraulique de vapeur WATT INGENIERIE WEYLCHEM

N° sur la carte

NOM ACRONYME

SUJET DE L’ÉTUDE OU DU PROJET PORTEUR DE PROJET PARTENAIRES

11 Sécheur VES+ Sécheur utilisant la Vvpeur d’eau surchauffée pour des sites ayant des besoins évaporatoires > 10 t/h MAGUIN AGROPARISTECH, UNGDA, LRD, CRISTAL UNION

14 EMA Développement d’un échangeur microstructuré compact à plaques et ailettes brasées en acier carbone avec protection contre la corrosion FIVES CRYO SOUS-TRAITANT

22 IONOPAC Machine à absorption à liquide ionique BERTIN TECHNO CNIM

23 TURBOSOL Récupération de Chaleur Fatale par Technologie TURBOSOL HEVATECH VALENCE ROMANS, ENSAM

24 GREEN HSM Amélioration de l’efficacité énergétique d’une machine-outil d’usinage à grande vitesse PCI SCEMM CETIM, IFMA, MPM

27 GEPPI Grand échangeur plaque plastique pour l’industrie TMW PS2E

28 VALTA Valorisation de chaleur fatale par procédé thermoacoustique HEKYOM EREIE, SDMO

29 ORC-ABC Cycle de Rankine Organique à bas coût de puissance allant jusqu’à 100kwé ENOGIA IFPEN

30 RREFlex Outil logiciel Robuste pour la conception de Réseaux d’Echangeurs de chaleur Flexibles LGC PROSIM, INEOS, ROUSSELOT, PS2E

31 ORCHID + Nouvelle turbine ORCHID ENERTIME FMGC, PS2E

32 RECIF Récupérateur de chaleur innovant sur fumées KELVION INSULA FRANCE

30a - Mazingarbe INEOS

26 - Trosly-Breuil WEYLCHEM

23 - Valence Romans Agglo STATION D’EPURATION

18 - Grenoble UNIVERSITE JOSEPH FOURIER

17a - Chalette-sur-LoingHUTCHINSON

7 - Foulayronnes IFTS

17b - BloisGREMAN

29 - Marseille ENOGIA

24 - Saint-Etienne PCI SCEMM

14 - Golbey FIVES CRYO

11b - Pauvres LUZEAL

11a - Bazancourt CRISTAL UNION

5 - Feyzin TOTAL

13 - Roanne STERIFLOW

8 et 32 - Nantes KELVION

12b - Lorient AXIMA REFRIGERATION

15 - Paris ENSAM

20 - Palaiseau CES ARMINES / EREIE

2 - Cesson CONCEPT / CONVERVENGE

6 - Tournan en Brie LABBE

28 - Brest SDMO

1 et 27- Juigné-sur-LoireTMW

12a - Bruz CLAUDE LEGER

22 - Tarnos BERTIN TECHNOLOGIE

PARCOURS E


CBEConsolidation des besoins énergétiques sur une plate-forme industrielle et mise en œuvre de capteurs logicielsProgramme ADEME-TOTAL, 8e AMI Multi-thématique de 2013.

Démarrage : 22 octobre 2013 - Projet terminéDurée : 20,5 moisCoût total : 177 000 €Coordinateur : PROSIMPartenaires : SAIPOL, MICHELIN, TOTAL, Ps2E

CONTEXTE

Le projet proposé cadre avec des enjeux importants pour les sites qui consomment de l’énergie et leurs besoins de conso-lidation des bilans énergétiques. Actuellement des solutions existent mais sont le plus souvent mises au point dans l’envi-ronnement Microsoft® Excel avec toutes les limitations que cela implique en termes de pérennité, de sécurité, de maintena-bilité, d’évolutivité des applications.Le marché propose des outils de comptage qui relèvent, filtrent et archivent les mesures brutes du site. Ces outils sont lourds à mettre en œuvre et peu flexibles. Par ailleurs, la mesure effectuée est rarement utilisable directement et doit souvent être convertie (notion de capteur logiciel). Enfin, l’expérience montre que sur les sites, les consolidations de bilans ne sont que partiellement réalisées et donnent parfois des résultats contradictoires, édités sans grande cohérence.

OBJECTIFS

Le projet vise à développer un prototype de logiciel d’aide à la maîtrise des consommations énergétiques des sites industriels. Le scope du logiciel est la réalisation de bilans en utilisant des mesures brutes (éventuellement filtrées et/ou converties) mais également des « capteurs logiciels» afin de réaliser automati-quement des bilans consolidés de la consommation d’énergie

du site sous toutes ses formes (combustibles, eau, vapeur, électricité). L’outil devra être facile à mettre en œuvre et fonc-tionnera en local ou à distance.

DÉROULEMENT

Il s’agit donc de :• Développer le prototype d’un logiciel générique, flexible et utilisable facilement.• Utiliser un modèle de représentation des structures en réseau facile à maintenir et à faire évoluer.• Calculer les bilans selon des modes flexibles et faciles à iden-tifier.• Archiver les résultats de façon pérenne.• Présenter les résultats sous différentes formes selon les des-tinataires.• Pouvoir faire fonctionner le logiciel en mode off-line (à la demande) ou on-line à une fréquence choisie et en mode silen-cieux.• Prouver concrètement la puissance de cette approche par des démonstrations industrielles (4) :- Sur la plateforme Raffinage-Chimie Normandie de Total (76).- Sur le procédé de raffinage d’huile végétale du groupe Saipol, situé à Sète (34).

séminaire r&d ademela recherche au service de la transition énergétique cbe

RETOUR SOMMAIRE

• Sur le site de fabrication de polymères de Simorep & Compagnie (Groupe Michelin), situé à Bassens (33).• Sur un serveur qui récupère les mesures de tous les sites (15) du groupe Saipol.

L’objectif global des démonstrations est d’une part de démon-trer que l’application développée est flexible, robuste, pérenne, facile à mettre en œuvre, et surtout réutilisable, contrairement à des applications spécifiques développées dans Excel par exemple. D’autre part que le logiciel peut fonctionner en local ou à distance.

SYNTHÈSE DES RÉSULTATS

Les développements du logiciel CBE sont terminés :• Base de données spécifique CBE qui archive les données d’en-trée et les résultats du modèle.

• Editeur de modèles qui permet de créer les modèles de calcul :-Définition de la liste des mesures.-Définition des traitements à effectuer sur les mesures afin d’avoir un jeu de mesures cohérent.-Définition des bilans à effectuer.• Add-in Excel qui permet d’extraire les résultats archivés par le modèle.• Application de flowsheeting qui permet de créer ses propres schémas et d’y ajouter des données extraites de la base de don-nées. Le déploiement de l’application est également terminé sur les différents sites de validation.

Estimation des gains énergétiques : Dans ce projet, 3 actions sont de nature à améliorer la gestion de l’énergie des sites industriels sans qu’il y ait à ce stade une possible quantification des gains attendus :

• Optimiser la production.• Rationaliser la consommation.• Réduire les émissions

Le projet est donc entièrement consacré à une démarche de qualité dédiée à un suivi attentif de la consommation d’éner-gie et donc si possible, à la minimisation de la consommation de combustibles sur les sites. La réalisation de calculs fiables et l’utilisation systématique des outils développés conduiront donc, à terme, à une diminution substantielle des émissions de gaz à effet de serre et des émissions polluantes.

APPLICATION ET VALORISATION

Le secteur visé est le secteur des PME/PMI qui consomment de l’énergie sous différentes formes (vapeur, gaz, électricité, eaux de refroidissement ...) dans des structures de distribution

en réseaux. Le public visé est assez vaste (complètement trans-versal) mais avec des moyens financiers limités et peu ou pas de ressources humaines disponibles pour gérer les applications.

Le logiciel doit être robuste et facile à manager s’il fonctionne en local sur le site. Le logiciel sera utilisable par quiconque, sans besoin de compétences particulières, la complexité des calculs réalisés étant totalement masquée pour l’utilisateur. De plus, les technologies qui vont être étudiées dans le domaine des passerelles électroniques permettront d’offrir un autre moyen de fonctionnement, sous la forme d’un service pur, la gestion de l’application étant complètement externalisée.

Des applications de niches telles que l’intégration de ce nou-veau développement dans des plateformes ValiAri (logiciel ProSim-Belsim) sur des sites « vapeurs» sont également en place actuellement.

CARACTÈRE INNOVANT

• Développement d’une application capable de gérer automati-quement les arborescences tout en proposant une grande sou-plesse dans la façon de réaliser les calculs de « bilanterie». • Les bilans sont réalisés par utilisation de mesures brutes et de capteurs logiciels.• Fonctionnement soit off-line (en proposant ses propres interfaces d’entrée/sortie) soit on-line, sous la forme d’une séquence de tâches à exécuter de manière silencieuse.

CONTACTS

Email : [email protected] internet : www.prosim.net

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PARTENAIRES

PARCOURS E


DIESTA - TUBESIDETubes à structures améliorés pour la réfrigération de gaz ou de liquide ou pour la condensation.Projet accompagné dans le cadre du Programme ADEME-TOTAL,5e Appel à Manifestation d’Intérêt Multi-thématiques de 2010.

CONTEXTE

La capacité des unités de gaz naturel liquéfié a été multipliée par 16 en 50 ans. Les conséquences sont pour les échangeurs de chaleur :• L’augmentation des surfaces d’échanges.• L’augmentation de leur empreintes au sol.• Limites de constructibilité / de transport.

Il est donc devenu impératif de développer des tubes plus per-formants de façon à augmenter les coefficients de transfert afin de réduire les surfaces d’échanges et l’encombrement des appareils.

OBJECTIFS

Le projet vise à obtenir une structure interne de tube permet-tant d’augmenter significativement le coefficient d’échange interne pour une augmentation de la perte de charge limitée, dans des applications de refroidissement de gaz ou de liquide et de condensation.

DÉROULEMENT

Une étude préparatoire a été menée préalablement au démar-rage du projet par les 3 partenaires afin de valider l’intérêt éco-nomique du développement envisagé.

Les phases du projet :• Définition du marché ciblé pour le développement.• Étude économique sur le marché ciblé à partir d’hypothèse d’amélioration des performances.• Recherche du laboratoire pour la réalisation des mesures.• Définition du schéma de principe de la boucle de test.• Sélection des structures internes.• Montage de la boucle.• Mesures des performances des structures sélectionnées.• Validation de l’étude économique basée sur les mesures des performances.

CARACTÈRE INNOVANT

Tube à surface interne améliorée pour augmenter les coeffi-cients d’échange avec une faible incidence sur les pertes de charge ;


Gains énergétiques :

• Puissance électrique consommée par les ventilateurs : -10 % par rapport à la technologie standard. • Ou réduction de la puissance consommée par le compres-

Démarrage : 1 juillet 2011 - Projet terminéDurée : 54 moisCoût total : 424 000 €Coordinateur : TECHNIPPartenaires : KELVION , WIELAND

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RETOUR SOMMAIRE

seur conduisant à une amélioration de l’empreinte carbone des installations de liquéfaction de gaz naturel.

Gains économiques : • Coût global appareil installé (équipement + tuyauterie + char-pente + génie civil, ...) -7% par rapport à la technologie standard.

Sécurité & Environnement : • Amélioration de l’empreinte carbone des installations de liquéfaction de gaz naturel : -4000 tonnes d’émission de CO2 par million de tonnes de LNG produit par an.• Le produit développé permet grâce à l’amélioration de l’effica-cité du transfert de chaleur, de réduire le volume des hydrocar-bures contenu dans les aéro-réfrigérants de 3 à 10%.

Accomplissements : • Construction et réception d’une boucle d’essai unique au monde permettant la mesure des performances de tubes amé-liorés dans les conditions industrielles en prenant en compte les contraintes liées à la sécurité (manipulation d’hydrocar-bure). • Capacité de mesures en monophasique (gaz et liquide) et diphasique (condensation).• Programme de mesures achevé permettant de valider les per-formances du tube amélioré DIESTA.• Analyse technico-économique finale à partir de ces résultats validant la fin du développement et la mise sur le marché de la technologie DIESTA.


Secteurs d’applications : • DIESTA est applicable principalement pour le marché du gaz naturel liquéfié.• DIESTA est aussi disponible pour les domaines du raffinage et des oléfines.• D’autres applications peuvent être facilement envisagées dans le traitement de gaz, les systèmes de production de froid.

Valorisation : Première référence en commande courant 2015. Démarrage attendu courant 2016.

CONTACTS

Email : [email protected] - [email protected]@kelvion.com - [email protected] internet : www.ademe.fr/programme-ADEME-TOTAL

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PARTENAIRES

Banc d’essai

Structure du DIESTA

PARCOURS E


EMAEchangeur microstructuré compact à plaques et ailettes brasées en acier carbone.Projet accompagné dans le cadre du Programme ADEME-TOTAL, 6e Appel à Manifestation d’Intérêt Multi-thématiques de 2011.

Démarrage : 1 novembre 2013Durée : 60 moisCoût total : 2 211 000 €Coordinateur : FIVES CRYOPartenaires : sous-traitance

CONTEXTE

Fives Cryo cherche à étendre sa gamme d’échangeurs ther-miques à plaques et ailettes brasées actuellement en alu-minium par le développement d’une nouvelle technologie d’échangeurs compacts en acier carbone. Ce nouvel équipe-ment permettrait de répondre aux nouvelles exigences éner-gétiques actuelles (efficacité, flexibilité) en proposant des performances thermo-hydrauliques accrues pour des utilisa-tions à hautes températures, hautes pressions, et dans des milieux potentiellement corrosifs.

OBJECTIFS

L’objectif du projet EMA (Echangeurs Microstructurés en Acier carbone) est de développer une nouvelle technologie permettant la réalisation d’échangeurs de chaleur à plaques et ondes brasées en acier carbone et résistant à la corrosion.

Le projet vise à :• Assembler un prototype en plaques et ondes en acier car-bone brasées.• Élaborer une solution de protection adaptée à la structure de ces échangeurs.• Développer un business plan.• Fabriquer un équipement de présérie en vue d’une indus-trialisation.

DÉROULEMENT

Les phases du projet :

Phase 1 (3 ans) : Développement d’un prototype en acier carbone• Recherche des matériaux (d’apport et de base).• Recherche de la solution de protection contre la corrosion.• Recherche et validation de l’opération de brasage.• Élaboration de la méthode d’application de la solution de protec-tion.• Validation de l’assemblage et de la solution de protection sur des maquettes à l’échelle intermédiaire.• Fabrication d’un prototype en acier carbone.• Développement du business plan.

Phase 2 (2 ans) : Fabrication d’un équipement de présérie• Conception de l’équipement ;• Installation d’une ligne de préparation dédiée à l’acier carbone ;• Fabrication de l’équipement de présérie.

OÙ EN EST LE PROJET ?

Dans la deuxième année du projet il a été prévu d’effectuer des essais d’assemblage et de revêtement sur des maquettes repré-sentatives. Ces maquettes de structure simple permettent de déterminer la tenue mécanique de l’assemblage, la performance thermo-hydraulique et la tenue à la corrosion.

séminaire r&d ademela recherche au service de la transition énergétique ema

RETOUR SOMMAIRE

Des premières maquettes constituées de passages simples d’ondes, de tôles de séparation et de barres de fermeture ont été brasées avec succès. Ces derniers ont été alimentées par un fluide sous pression et portées jusqu’à éclatement. Cela a permis de déterminer des niveaux de tenue à la pression assez élevées certes mais inférieure à la pression théorique. Des amé-liorations du processus d’assemblage sont alors envisageables et des nouvelles maquettes sont en cours de réalisation.Des maquettes pour tester la performance thermo-hydraulique des ondes acier ont été assemblées avec succès. Une partie de ces maquettes ont été revêtues par une protection contre la corrosion permettant ainsi d’évaluer l’impact de cette dernière sur la performance des ondes (perte de charge et performance thermique). Des essais de revêtement anticorrosion sur des structures simples ont été réalisés. Ces essais montrent le recouvrement

total d’un passage constitué d’ondes, de barres et de tôles. En revanche l’homogénéité du revêtement reste à améliorer.

Ce revêtement a été testé pour une large gamme de milieux corrosifs (e.g. milieu humide à haute température, milieu aéré, en saumure et en brouillard salin). Dans tous ces essais le revê-tement montre une amélioration nette de la tenue de l’acier en se rapprochant de celle d’un acier inoxydable. Une sensibilité accrue du revêtement à la piquration a néanmoins pu être observé pour les milieux fortement chargés en halogénures. Des analyses sont en cours pour identifier l’origine de ces phénomènes de corrosion localisée afin d’accroître encore les performances du revêtement. Enfin un travail sur l’estimation de la durée de vie du revêtement vis-à-vis de la corrosivité de l’environnement reste à faire, notamment pour des ambiances humides.

échangeur classique échangeur EMA Gain

Température de pincement De 10 à 20°C De 2 à 10°C Augmenterl’efficacité énergétique

Surface d’échange àiso performance 200 à 500m2/m3 1000 à 2000m2/m3 Réduire le volume et

le poids de l’échangeur

Conductivité thermique 16 W.m-1.K-1 (Inox) 50 W.m-1.K-1 (Acier Carbone) Augmenterla performance thermique

Indice du prix dela matière première 6€/kg 0.8€/kg Réduire les coûts

OÙ EN EST LE PROJET ?SYNTHÈSE DES RÉSULTATS

Estimation des Enjeux Energétiques :

Estimation des gains économique :L’utilisation d’échangeurs plus performants permettrait d’amé-liorer les rendements énergétiques des procédés dans lesquels ils sont impliqués, et ce, à un coût d’acquisition non rédhibi-toire.

Résultats à ce stade :La réussite d’assemblage des échangeurs microstructurés en acier revêtu permettra d’assurer les gains énergétiques, économiques estimés dans la description du projet ci-haut. A ce stade le passage de l’échelle laboratoire à l’échelle des maquettes représentatives a permis de s’enrichir de premières connaissances dans la fabrication des échangeurs en acier. On note la fabrication des ondes, la tenue à la pression des struc-tures brasées, la performance thermo-hydraulique des ondes, mais aussi de l’application du revêtement et de la tenue à la corrosion. Ces connaissances sont certes assujetties au perfec-tionnement, néanmoins sont nécessaires pour la fabrication du

prototype semi-industriel constituant l’objectif de la première phase du projet.


En restant ouvert à toute application industrielle impliquant des fluides propres, on travaille en étroite collaboration avec un groupe industriel français pour identifier l’application où un prototype de taille semi-industriel en acier revêtu permettrait la réalisation de tests de corrosion et d’endurance.


PARTENAIRES

Vue 3D de l’échangeur


CONTACTS

Email : [email protected] - [email protected] internet : www.ademe.fr/programme-ADEME-TOTAL

PARCOURS E


FLEXIFROIDEffacement des entrepôts frigorifiques de surgelés : évaluation de l’impact énergétique et du risque produit.

Projet accompagné dans le cadre de l’APRED 2015.

CONTEXTE

Dans un contexte d’objectifs d’accroissement de la quantité d’énergie intermittentes sur le réseau électrique, l’effacement de consommations, est un des leviers qui peut permettre d’équilibrer le réseau. Le besoin d’unités de stockage de toute taille sur tous les maillons du réseau électrique est ainsi un besoin urgent et essentiel.Les entrepôts frigorifiques et chambres froides, majoritai-rement utilisés pour le froid alimentaire, forment à eux seuls un segment de stockage rapidement accessible et fortement attractif pour répondre dès maintenant aux besoins et peuvent être considérés comme un réseau de « batteries thermiques » d’ores et déjà disponibles. Ces qualités en font un des meil-leurs candidats à l’heure actuelle pour le stockage d’énergie et d’électricité à l’échelle locale de l’utilisateur.Dans le cadre de la libéralisation totale des tarifs électriques (à partir de 2015/2016, cadrée par la loi « Nome » - Nouvelle Organisation du Marché de l’Electricité) et dans la perspective de la loi « Brottes » précisant le statut juridique et les modes de rémunération de l’effacement de consommation d’électricité, la nouvelle organisation du marché de l’électricité se mettant en place représente une opportunité considérable pour les indus-triels et métiers de l’entreposage de par la capacité de stoc-kage que constitue l’ensemble des entrepôts et des chambres froides, soit 15 millions de mètres cubes.

OBJECTIFS

L’objectif de ce projet, par la démarche volontaire d’un des plus grands acteurs du froid alimentaire en Europe et la mise en œuvre d’une analyse scientifique des impacts tant énergé-tiques que qualitatifs, est d’aider à lever les verrous d’adoption que sont le risque lié aux fluctuations de température et leurs conséquences sur le produit (verrou qualité) ainsi que l’impact en consommation énergétique (verrou énergétique)

À tout instant, l’industriel devrait pouvoir répondre à une demande de délestage ou à une demande inverse de consom-mation non prévue. Cependant, une particularité des instal-lations frigorifiques est que leur performance peut varier for-tement au cours de la journée en fonction des conditions de fonctionnement et que la quantité d’énergie électrique néces-saire pour produire 1kWh d’énergie frigorifique peut changer d’un rapport de 1 à 2 dans une même journée.

Ainsi, un effacement dans une période de performance maxi-mum aura pour conséquence une production de froid à une période moins favorable, et donc une surconsommation éner-gétique. Afin d’éviter ces surconsommations, une connaissance précise de la technologie employée et des mécanismes de transfert thermique est nécessaire et devrait être intégrée dans les outils d’aide à la décision.

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Démarrage : 29 mars 2016Durée : 36 moisCoût total : 579 815 €Aide ADEME : 276 294 €Coordinateur : Institut national de recherche en scienceset technologies pour l’environnement et l’agriculture (IRSTEA)Partenaire : BONDUELLE

RETOUR SOMMAIRE

Sous l’effet des fluctuations de température induites par l’effa-cement, deux principaux phénomènes physiques se produisent dans les produits alimentaires : la recristallisation et la subli-mation.

La recristallisation se manifeste par la croissance des cristaux et la sublimation conduit à la formation de givre en surface des produits qui forment alors un amas avec la glace. Dans le cas des produits végétaux, ces deux phénomènes physiques peuvent entrainer la rupture des cellules et, par conséquent, accélérer les réactions chimiques et enzymatiques au sein des produits.

Cela conduit à la dégradation des qualités sensorielles et nutritionnelles du produit qui devient alors inacceptable pour le consommateur. L’industriel ne peut négliger ces réalités et celles-ci constituent un verrou d’adoption clair pour une stra-tégie d’effacement électrique. Par conséquent l’impact sur le produit doit être pris en compte dans le processus de décision. DÉROULEMENT

Le projet vise à lever les verrous par le développement de nou-velles connaissances afin de proposer à l’industriel un outil de prédiction et d’aide à la décision. Ce projet comprend 3 approches principales :

• La caractérisation expérimentale sur site et à échelle réduite de la consommation énergétique et de l’évolution des tempé-ratures, et la modélisation permettant de prédire l’impact d’un effacement sur les performances énergétiques et thermiques de l’entrepôt.• La caractérisation expérimentale de l’évolution de la qualité des produits lors de fluctuation de températures et sa modé-lisation.• Le développement d’un outil d’aide à la décision intégrant les modèles développés et permettant :• D’évaluer, pour un entrepôt non encore utilisé pour l’efface-ment, la capacité en termes de fluctuations maximales de la température. L’outil prendra en compte la nature des produits stockés et les caractéristiques de l’entrepôt, telles que l’isola-tion, les fréquences d’ouverture de porte et les flux de produit ... • D’être utilisé « en temps réel » pour évaluer, à partir de l’état de l’entrepôt (température, prévisions météo, produits actuelle-ment stockés ...), l’impact énergétique et l’impact qualité d’une demande d’effacement et donc d’aider à la prise de décision quotidienne

Le déroulement consistera en une première phase de produc-tion de connaissances nouvelles par l’expérimentation en une formalisation de ces connaissances en modèles et en l’intégra-tion finale de ces connaissances dans un outil logiciel

CARACTÈRE INNOVANT

L’outil développé dans ce projet évaluera l’impact de la déci-sion et donnera des informations sur : • l’impact sur la consommation énergétique : en prenant en compte la variabilité de la performance de la machine frigori-fique, l’outil évaluera la surconsommation ou la réduction de la consommation conséquence de la décision d’effacement.• l’impact sur le produit : cet impact est peu connu actuelle-ment ; de par les connaissances acquises dans ce projet, l’outil permettra de prédire l’évolution de la qualité des produits.


Le démarrage du projet est prévu début avril 2016.


Afin de pouvoir répondre rapidement à des demandes d’effa-cement, les agrégateurs ou opérateurs d’effacement peuvent établir des modèles permettant de décider s’il est possible de forcer la consommation ou d’arrêter partiellement ou complète-ment les systèmes. Ces modèles tiennent compte de « l’iner-tie » du système et prédisent son évolution dans le temps. Ces modèles n’évaluent cependant pas l’impact : ce n’est pas leur objectif premier. Ils permettent de répondre à la simple ques-tion : selon l’état actuel de mon système et mes contraintes, puis-je m’effacer ? Enfin, l’outil a également pour ambition d’aider l’industriel à la décision avant même de mettre en œuvre une stratégie d’effacement. En décrivant les caractéristiques de l’entrepôt, les matériaux (parois, isolants), la nature des produits stockés, le taux de remplissage moyen et les diffé-rentes charges thermiques à prendre en compte, l’outil propo-sera une amplitude de fluctuation de température acceptable. L’industriel pourra ainsi sélectionner ses entrepôts les plus adaptés à des effacements du réseau.

CONTACTS

Email : [email protected] internet : www.projetflexifroid.fr


PARTENAIRES


PARCOURS E


GCGGénérateur de coulis de glace industrialisé d’unepuissance de 150 kW frigorifique.Projet accompagné dans le cadre du Programme ADEME-TOTAL, 6e Appel à Manifestation d’Intérêt Multi-thématiques de 2011.

Démarrage : 01 janvier 2013 - Projet terminéDurée : 27 moisCoût total : 800 000 €Coordinateur : AXIMA RéfrigérationPartenaires : ENGIE COFELY, ENGIE Réseaux, CLAUDE LEGER

CONTEXTE

De très nombreuses industries notamment agro-alimentaires, sont demandeuses de solutions frigorifiques (réfrigération et conditionnement d’air) moins énergivores et plus flexibles pour diverses raisons.La technologie du coulis de glace est connue mais différents freins techniques limite son industrialisation :• L’usage de technologie imposant une maintenance importante du fait de l’utilisation de système mécanique de raclage ou de brossage.• Un écart élevé de température entre la température d’évapora-tion et celle du coulis peu favorable au COP froid (EER).• Le fonctionnement exclusif en générateur de coulis de glace.• Le fonctionnement des générateurs dans des réseaux non pressurisés.Par ailleurs, dans le cadre des évolutions du marché de l’élec-tricité, le projet a pour objectif de proposer des machines frigo-rifiques permettant de s’effacer du réseau, en utilisant du stoc-kage d’énergie frigorifique en phase latente à différents niveaux de températures.

OBJECTIFS

Le projet vise à démontrer qu’il est possible de proposer une technologie de générateur de coulis de glace industrialisé pour

des puissances frigorifiques élevées et pour toute gamme de température, en réfrigération en incluant le froid basse tempé-rature pour la conservation à température négative ou la surgé-lation, ainsi que pour le conditionnement d’air. Il s’agira dont de :• Démontrer la faisabilité d’un générateur de dimension indus-triel 150 kWf.• Comparer différents fluides frigoporteurs.• Faire un test réel chez un industriel partenaire.

DÉROULEMENT

Les phases du projet :• Réaliser l’industrialisation et la qualification d’un générateur d’une puissance de 150 kWf.• Valider les procédés brevetés.• Tester les performances de production avec différents modes de fonctionnement.• Validation du dispositif de mesure d’énergie stockée.• Essais de performance sur des procédés industriels de refroi-dissement rapide.• Elaborer une méthode de sélection des échangeurs à plaques assurant la production du coulis de glace.• Générateur de coulis de glace.

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Gains énergétiques : Le régime de fonctionnement du générateur permet de produire du coulis avec un COP 20 à 30% plus élevé que les systèmes traditionnels. Sur les applications de stockage seul le généra-teur permet d’atteindre des performances supérieures de 5 à 15% comparé à des systèmes de stockage par eutectiques. L’utilisation de coulis de glace en distribution permet de réduire l’énergie de pompage de plus de 50% comparé aux frigopor-teurs sensibles. Le décalage des consommations en période nocturne permet la production d’un kWh frigorifique avec un rendement optimal, jusqu’à 30% inférieur au mode diurne.Estimation des gains économiques : Le coulis de glace impacte favorablement les coûts d’exploita-tion et d’investissement grâce au stockage de l’énergie frigo-rifique ou sa capacité élevée de transport frigorifique. En coût d’investissement, en réduisant les dimensionnements :• Du compresseur frigorifique et du condenseur, car non cal-culés pour les besoins maximum journalier mais sur une puis-sance moyennée sur 24h.• Des conduites de transports, pompes et équipements élec-triques.• Des échangeurs terminaux.En coût d’exploitation, en réduisant les dépenses par :• Un coefficient de performance frigorifique amélioré en période nocturne permettant l’obtention d’un EER et un ESEER amélio-rés.• La production d’énergie frigorifique aux périodes où le prix du kWh électrique est le plus favorable.• Une réduction des puissances électriques d’abonnement souscrites grâce à la réduction du dimensionnement du com-presseur frigorifiques.• La possibilité d’obtenir une rémunération relative à sa flexibi-lité électrique (mécanismes d’effacement).• Une réduction de l’énergie calorifique nécessaire aux cycles de dégivrage pour les frigorifères.• Des coûts de maintenance maitrisés comparé aux machines de production de glace conventionnelles.Sécurité et environnement : Différents frigorigènes et frigoporteurs sont utilisables pour s’adapter aux contraintes de sécurité et d’environnement du client.


Secteurs d’applications : La technologie est indiquée dans les domaines industriels, la logistique sous température dirigée et la grande distribution pour des applications de réfrigération de moyenne et forte puis-sance. Le générateur est actuellement en phase de commercia-lisation et d’industrialisation pour des puissances de 200kW à

1MW et des applications de -5°C à -15°C (température frigopor-teur).

La technologie est susceptible d’être utilisée de différentes manières :• Stockage et distribution diphasique• Stockage seul (mode pile)• Usage process (refroidissement rapide par exemple)

Le dispositif de mesure d’énergie permettant de quantifier de manière précise la réserve d’énergie du système permet de pro-poser un équipement smart-grid ready.

CARACTÈRE INNOVANT

• Générateur de coulis de glace de puissance industrielle (en centaines de kW) avec la technologie d’hydro raclage. • Gestion et information pour le producteur d’énergie électrique de la capacité d’énergie dans le circuit frigorifique.• Utilisation d’un frigoporteur diphasique en circuit de distribu-tion sous pression.

CONTACTS

Email : [email protected] - [email protected] internet : www.aximaref.com


PARTENAIRES


Clichés du pilote

Coulis de glace

Exemple d’utilisation (écrêtage)

PARCOURS E


GEPPIGrand échangeur plaque plastique pour l’industrie.Projet accompagné dans le cadre du Programme ADEME-TOTAL, 8e Appel à Manifestation d’Intérêt Multithématique de 2013.

Démarrage : 01 octobre 2013Durée : 21 moisCoût total : 1 269 000 €Coordinateur : TMWPartenaires : PS2E

CONTEXTE

Le contexte actuel impose d’améliorer l’efficacité énergétique des procédés, tant au plan économique qu’environnementale. Les échangeurs thermiques sont une des utilités qui per-mettent de récupérer et valoriser l’énergie thermique dans des procédés industriels transverses. TMW s’est engagé depuis plu-sieurs années dans le développement d’échangeurs thermiques plastiques qui présentent de nombreux atouts ainsi que des limites d’utilisation quant à ses champs d’applications et de substitution aux échangeurs métalliques existants. Le marché de l’échange thermique plastique est spécifique mais ouvre des perspectives étendues : les solutions actuelles ne répondent que partiellement aux besoins des clients, pour des raisons techniques (fluides agressifs) ou économiques. L’objet de ce projet d’apporter une réponse nouvelle à ces besoins partielle-ment satisfaits.

OBJECTIFS

TMW lance donc dans ce but le développement d’un nouvel échangeur à plaques plastiques (projet GEPPI). Les objectifs du projet sont variés : augmenter la taille des plaques, diminuer les coûts de production unitaire (€/m2), augmenter les coef-ficients d’échange (W/m2/K) en particulier par une améliora-tion de la conductivité des matériaux mis en œuvre, élargir les conditions d’application (surtout température et pression) et les modes d’application (Gaz/Liquide et Liquide/Liquide). TMW

a placé l’échangeur au cœur de sa stratégie de développement, avec deux cibles : se positionner comme une alternative aux échangeurs en titane (Uranus B6), voire étendre le champ des applications possibles, marché que l’on qualifiera de « haute valeur ajoutée » grâce à des choix technico-économiques spécifiques, être une alternative économique par rapport aux échangeurs en acier inoxydable.

DÉROULEMENT

« Le projet de développement de ce nouvel échangeur a été décomposé en plusieurs phases :Phase 1 : Etablir un état des lieux des technologies d’échan-geurs à plaques et définir des pistes d’amélioration avec l’aide de différents experts en incluant les tâches recherches matière, état de l’art et étude de marché.Phase 2 : Conception de l’échangeur (sur la base des pré-études) via plusieurs tâches : CAO, RdM (simulation pression / température), modélisation thermique, simulations CFD et rhéo-logie. En parallèle, les fournisseurs ont été intégrés aux études pour définir les procédés de fabrication.Phase 3 : Réalisation des outillages et moyens de fabrica-tion des premiers prototypes. Cette phase comporte un volet rédaction de brevet ainsi que la définition d’axes d’optimisation coûts.Phase 4 : Essais qualifiants : cherche à caractériser les perfor-

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mances des échangeurs (aérauliques, hydrauliques, thermiques et mécaniques) et intègre la mise en place de démonstrateurs.Phase 5 : Mise en place d’outils de valorisation et de diffusion des résultats obtenus avec définition d’une politique commer-ciale et présentation du nouvel échangeur lors de salons ou via des revues spécialisées.


Le projet a été débuté en avril 2013. La phase 1 a permis de vali-der l’intérêt de projet et de lever le jalon Go-No Go de poursuite du développement fin 2013. L’année 2014 a été consacrée prin-cipalement à la réalisation des phases 2 (études) et 3 (réalisa-tion outillage). Les outillages et procédés de fabrication sont désormais opérationnels et ont permis la production de pre-miers échangeurs. Mais les recherches matières se prolongent et le choix des matières pour la production des échangeurs à qualifier en phase 4 n’est pas clos. La phase 4 a cependant commencé avec la définition et la mise en place de moyens et protocoles de validation ainsi que divers essais en air sec et air humide. Des essais en Echange Eau/Eau et tenue Pression sont à venir. La phase 5 est en cours, via la participation à divers salons en France, Allemagne et Suisse.

SYNTHÈSE DES RÉSULTATS À CE STADE

Au stade actuel, la phase de qualification débute simplement et ne permet pas de fournir des résultats précis.Nous pouvons néanmoins fournir plusieurs estimations :Estimation des gains énergétiques : L’échangeur est une utilité. Les gains énergétiques qu’il permet dépendent des cas d’applications. Ce sont plus les critères de performances d’échange et les plages d’utilisations (tempéra-ture et pression) que l’on cherche à optimiser pour augmen-ter les applications potentielles et par conséquent les gains énergétiques possibles. Dans le cas de ce nouvel échanger, les objectifs sont de échangeurs plastiques pouvant atteindre des coefficients d’échange de 700kW/m2 (en eau/eau) avec des conductivités matières 5 à 10 fois supérieures et dans des plages de températures s’approchant des 140°C et des pres-sions supérieures à 1,5b.

Estimation des gains économiques : L’objectif que TMW s’est fixé est de réduire d’un facteur d’ordre 2 le coût de production d’un échangeur (€/m2 surface d’échange développée) par rapport à la génération précédente développée par TMW.

Sécurité & Environnement :En apportant une solution innovante avec de nouveaux position-nements technico/économiques possibles, le nouvel échan-geur TMW peut apporter une réponse appropriée à la récupé-

ration d’énergie dans des secteurs pour lesquels les solutions actuelles ne sont pas adaptées.

Difficultés rencontrées : Les difficultés se sont concentrées principalement sur la par-tie recherche matière et les contraintes liées à l’injection et la soudure de celles-ci. En effet, l’un des leviers d’amélioration de l’efficacité d’un échangeur à plaques plastiques réside dans la conductivité transversale de parois moulées en plastique. Il existe déjà depuis plusieurs années des compounds plas-tiques développés pour améliorer les conductivités thermiques de matériaux plastiques, mais ces matériaux ont souvent une conductivité non isotrope : très bonnes en longitudinale mais faible en transversale.


Avec l’aide d’un cabinet externe, TMW a cherché à valider les perspectives de marché pour ce nouvel échangeur plastique en se focalisant plus particulièrement sur deux positionnements :solution technique alternative aux échangeurs en titane pour des environnements corrosifs.solution compétitive en substitution d’une partie du marché de l’échangeur inox sur des services basse pression et tempé-rature. Au total, 6 secteurs industriels ont été étudiés, repré-sentant environ 50% de la consommation brute d’énergie en France.2 secteurs apparaissent prioritaires : le traitement de surface et l’industrie textile avec un intérêt grandissant pour valorisation de la chaleur perdue :• en 2nd rang, le secteur agroalimentaire• en 3e rang, les industries céramique et plastiqueD’autres opportunités sont aussi possibles dans les secteurs Chimie et Raffinerie.

CARACTÈRE INNOVANT

Le nouvel échangeur utilise un procédé d’injection thermoplas-tique autorisant à la fois la réalisation de plaques plus grandes dans différentes épaisseurs, l’emploi d’une large gamme de matériaux à conductivité améliorée et la diminution des coûts de production. De plus, il permet simplement la réalisation de configurations distinctes en versions Liquide/Liquide et Gaz/Liquide.


PARTENAIRES

Échangeur TET d’ancienne génération, composé de plaques plastiques,réalisées en extrusion-soufflage - Surface total d’échange : 2,5 mètres


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Email : [email protected] internet : www.tmw-technologies.com/wp-tmw

PARCOURS E


GREEN HSMAmélioration de l’efficacité énergétique d’une machine-outil d’usinage à grande vitesse.Projet accompagné dans le cadre du Programme ADEME-TOTAL,7e Appel à Manifestation d’Intérêt Multi-thématiques de 2012.

Démarrage : 01 octobre 2013Durée : 36 moisCoût total : 1 881 000 €Coordinateur : PCI SCEMMPartenaires : CETIM, IFMA, MPM

CONTEXTE

Les entreprises utilisatrices de machines-outils sont dans un marché fortement contraint par les enjeux économiques et environnementaux. En particulier l’industrie automobile grande consommatrice de machines et confrontée à de faibles marges sur les produits. Par ailleurs, les machines-outils sont entrées dans le plan de travail de la directive « Eco-design of Energie-related Products (ErP) » sous le code 2009/125/CE. Cette directive, va globalement amener les constructeurs à proposer des machines-outils de plus en plus éco-responsables.C’est dans ce contexte que PCI et MPM constructeurs de machines-outils d’usinage se sont associés à l’IFMA (Institut Français de Mécanique Avancée) et le CETIM (Centre Technique des industries mécaniques) afin de travailler sur la diminution de la consommation énergétique des machines-outils.

OBJECTIFS

Le projet vise à :Réduire la consommation énergétique des machines-outils actuelles de 30% suivant les axes de progrès ci-dessous :• Allègement des structures (augmentation du rapport rigidité/masse) soit en travaillant au niveau du choix des matériaux soit au niveau de la géométrie de la structure.• Consommation des équipements annexes : arrosage automa-

tique, groupes de refroidissement, climatisation hydraulique, ... • Conception de la motorisation : axes de déplacement, broche d’usinage, ...• Monitoring et instrumentation temps réel.• Processus d’usinages, paramétrages associés et lubrification.• Réaliser un démonstrateur sur la base d’une machine d’usi-nage grande vitesse travaillant sous lubrification par émulsion.Définir une méthodologie d’analyse et de réduction de la consommation énergétique applicable à d’autres machines.

DÉROULEMENT

Une étude préparatoire financée par le programme ADEME-TOTAL a été menée préalablement au projet afin de démontrer la très forte probabilité d’obtenir le gain de 30%. Sur la base de mesures énergétiques détaillées, plus de cinquante améliora-tions ont été imaginées et quantifiées.Les phases du projet :• Étude de conception détaillée des composants et sous-ensembles.• Pré-montage et validation unitaires des composants et sous-ensembles.• Montage in situ et tests (démontage et montage, mesures, mise en service).

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CONTACTS

Email : [email protected] internet : www.pci.fr

Machine traditionnelle Machine Green HSM GainConsommation spécifique

en kWh/an 20 14 6 (30%)

Consommation d’électricité du parc machines d’un site

industriel européenen MWh/an

38 650 27 060 11 590

Coût de l’électricité consom-mée par le parc machines

en M€/an3,86 2,70 1, 16

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• Validation de la consommation énergétique du démonstrateur • Validation de la durée de vie et de la fiabilité des solutions mises en application.• Écriture de la méthodologie en parallèle des actions ci-dessus.


Estimation des gains énergétiques : La fabrication du démonstrateur est terminée et ses différents composants validés. Les premières estimations donnent un gain de 35 % sur la consommation d’électricité (y compris l’énergie pneumatique). Les essais de validations globaux sont en cours (mars 2016). Exemple de gains pour un site de production de culasses composé de 10 lignes de 35 machines par ligne, fonctionnant sur une base de 5522 heures / an en 3×8. Le coût moyen de l’électricité en Europe est estimé à 100 MWh/an.Estimation des gains économiques :Gain prévisible sur la consommation énergétique.Sécurité & Environnement :Limiter les retraitements de liquides et consommables, limiter les rejets de chaleur dans l’atmosphère de travail.

Difficultés prévisibles :Limiter l’augmentation du coût d’investissement à 5% maxi-mum par rapport à celui de machines actuelles.


Secteurs d’applications : Les trois principaux secteurs pouvant bénéficier des avancées du projet sont : Automobile, Aéronautique, Mécanique géné-rale.

Marché : Le marché annuel mondial des machines-outils est estimé à 13 000 M€. Ce marché en France est de 800 M€.

CARACTÈRE INNOVANT

• Optimisation de masses et inerties ; • Limitation des consommations pneumatiques et de fluides ;• Optimisation de la consommation frigorifique ;• Maîtrise de la consommation dans tous les cycles d’utilisation de la machine.

PARTENAIRES

Ligne de fabrication à base de centre d’usinage grande vitesse

PARCOURS E


INTHERCOMMIntégration Thermique de Colonne en Mousse Métallique.Projet accompagné dans le cadre du Programme ADEME-TOTAL, 8e AMI Multi-thématique de 2013.

CONTEXTE

La distillation très répandues dans l’industrie, en dépit de ses nombreux avantages, présente l’inconvénient majeur de nécessiter des besoins énergétiques importants. En effet, la distillation représente à elle seule 40% de l’énergie totale de l’industrie chimique et environ 3% de la demande énergétique mondiale. Afin d’augmenter l’efficacité énergétique plusieurs variantes ont été proposées : colonne avec recompression de vapeur (CRV), colonne diabatique, deux colonnes avec cou-plage thermique externe ou colonne avec couplage thermique interne (HIDiC) Cette dernière variante (HIDiC) couple les avantages de la CRV et de la colonne diabatique et sera l’objet d’étude du projet dont les partenaires sont le LGC et Alvéotec financé par Total.

OBJECTIFS

L’objectif du projet est de démontrer la faisabilité d’une colonne HIDiC en mettant en œuvre des internes de colonne innovant : les mousses métalliques micro-structurées à cellule ouverte. Ainsi, le premier objectif, qui représente un verrou d’un point de vue technologique, sera de pouvoir réaliser les mousses tout en assurant un contact optimum avec la paroi. Il s’agira de maîtriser le procédé de fabrication des mousses et l’extrapoler jusqu’au stade industriel. Le deuxième objectif est la mise au

point d’une installation pilote d’une colonne HIDiC concen-trique mettant en œuvre les mousses métalliques comme contacteur-échangeur. Ce pilote permettra dans un premier temps d’évaluer le coefficient de transfert de chaleur et les capacités de transfert de matière. A partir de ces données, des simulations quantifieront le gain énergétique sur des mélanges tests.

DÉROULEMENT

• Phase 1 : Etat de l’art • Tâche 1.1 : Inventaire technologique et choix de la morpholo-gie de l’interne en mousse (LGC,Alvéotec)• Tâche 1.2 : Simulation du procédé : choix des mélanges et des conditions opératoires du pilotage (LGC)• Tâche 1.3 : Simulation CFD du transfert thermique radial en écoulement film liquide seul• Phase 2 : Fabrication du corps de la colonne HIDIC • Tâche 2.1 Élaboration des internes en mousse métallique (Alveotec• Tâche 2.2 Fabrication du corps de la colonne (Alveotec, LGC)• Phase 3 : Test sur la colonne pilote • Tâche 3.1 Montage du pilote (LGC, Alveotec)• Tâche 3.2 Caractérisation des internes en mousse (LGC)

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Démarrage : 1 juin 2016Durée : 12 moisCoût total : 176 220 €Coordinateur : LGCPartenaire : ALVEOTEC

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• Tâche 3.3 Campagne expérimentale sur le pilote HIDiC ( LGC)• Phase 4 : Validation (LGC)• Tâche 4.1 : Comparaison et validation des simulations par rap-port aux résultats expérimentaux de la phase 3. Simulation d’un cas fourni par Total.• Tâche 4.2 : Réflexion sur les pistes de réduction du CAPEX : re-bouillage, condenseur, contraintes liées à la compression et à l’opérabilité.

CARACTÈRE INNOVANT

Le projet InTherCoMM se propose d’étudier une solution tech-nologique innovante qui combine au sein d’un même appareil le principe de fonctionnement d’une colonne HIDiC et la mise en œuvre de mousse métallique qui ont prouvé leur efficacité comme promoteur de transfert thermique et comme contacteur Gaz/Liquide.


A ce stade du projet, le premier livrable concernant l’étude bibliographique et le dimensionnement du pilote HIDIC a été réalisé (phase 1). Les résultats obtenus par simulation sous ProSim+ montrent un gain énergétique attendu de l’ordre de 60%. La théorie des ailettes a été utilisée pour calculer le coefficient global d’échange dans la mousse. Les hypothèses concernant les performances hydrodynamiques de la mousse métallique devront être vérifiées expérimentalement après réception des galettes de mousse métallique.Le dimensionnement du pilote HIDIC et des équipements périphériques a été effectué et l’instrumentation du pilote a été définie. Un schéma complet du pilote HIDIC a été dessiné pour le montage. Le corps de la colonne sera livré en avril 2016 (Phase 2)

Le montage du pilote HIDIC est en cours au LGC (Phase 3). Il peut être divisé en quatre différentes tâches :• la commande et la réception de la matière première, de l’ins-trumentation, du compresseur, des éléments de la ligne vapeur, etc ...• l’usinage et le montage des différentes parties du pilote : condenseur, tête de reflux, calandre, bouilleur.• le montage des équipements sur le pilote : le compresseur et son bypass, les débitmètres massiques, l’instrumentation (débit, niveau, pression, température), les vannes de régulation, les prises d’échantillon ...• la mise en service de l’instrumentation : l’armoire électrique et la mise en place des boucles de régulation.


La distillation est un procédé de séparation très utilisé dans les

procédés de transformation de la matière. Les secteurs concer-nés sont donc principalement le raffinage, la pétrochimie, la chimie de spécialité, l’industrie pharmaceutique, l’agroalimen-taire. Les cas permettant potentiellement le plus d’économie d’énergie sont les colonnes à distiller dont la différence de tem-pérature entre la tête et le pied n’excède pas 20°C.

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PARTENAIRES

PARCOURS E


IONOPACMachine à absorption à liquide ioniqueProjet accompagné dans le cadre du Programme ADEME-TOTAL, 7e Appel à Manifestation d’Intérêt Multi-thématiques de 2012.

Démarrage : 21 décembre 2012Durée : 5 ansCoût total : 2 186 000 €Coordinateur : BERTIN TECHNOPartenaire : CNIM (INVEN)

CONTEXTE

Les machines à absorption sont utilisées couramment pour des applications de production de froid à partir d’énergie thermique, en concurrence des machines à froid ou pompes à chaleur à compression électrique.Les pompes à chaleurs usuelles au bromure de lithium LiBr présentent toutefois une limitation de la plage de température d’utilisation, du fait des risques de cristallisation et de corro-sion. Ceci réduit les domaines d’applications industrielles pour la valorisation de la chaleur fatale.Le remplacement du LiBr par un liquide ionique autoriserait ces machines à fonctionner dans des gammes de température plus étendues et accroîtrait ainsi le développement commercial des pompes à chaleur dans l’industrie.

OBJECTIFS

Pour les partenaires du projet : commercialiser une nouvelle gamme de machine à absorption utilisant un couple eau / liquide ionique. Le projet vise à :

• Élargir le domaine de fonctionnement des pompes à chaleur à absorption, notamment dans les modes cogénération ther-mique (production simultanée de chaleur et de froid) et produc-tion de chaleur.

• Qualifier les performances du procédé en balayant une large gamme de température ce qui conférera à ces machines une meilleure rentabilité économique, en particulier dans des pro-cédés demandant des productions simultanées de chaleur et de froid. Le choix d’une puissance de 100 kWfroid se justifie par le fait qu’elle permet de démontrer des performances à une échelle proche des gammes industrielles et d’utiliser des équi-pements auxiliaires standards.

DÉROULEMENT

Les phases du projet :

• Étude de conception détaillée, choix des conditions opéra-toires.• Réalisation de la machine à absorption et du banc d’essai.• Conduite des essais de performance et d’endurance.• Synthèse et valorisation des travaux.

AVANCEMENT DU PROJET

• Fabrication terminée, choix du liquide ionique validé.• Raccordement du banc à la PAC février mars 2016.• Mise en service mai 2016.

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Les travaux restants :

• Essais d’endurance et de performance• Caractérisation du comportement du fluide ionique• Synthèse et valorisation

RÉSULTATS ATTENDUS

Estimation des gains énergétiquesElargissement du domaine de fonctionnement en température des pompes à chaleur classiques (compression et absorption LiBr).

ÉconomieCoûts opérationnels réduits pour la production de froid et de chaleur à partir de chaleur fatale.

Sécurité & EnvironnementFluide non corrosif et non classé toxique, réduction du risque légionellose pour la production de froid,

Difficultés rencontréesPeu de données disponibles sur le comportement du liquide ionique : tension superficielle inconnue, coefficient de diffusion inconnu, transfert de chaleur, produits de décomposition, com-portement au pH, ...

APPLICATIONS ET VALORISATION

La machine à absorption IONOPAC peut fonctionner dans plu-sieurs modes différents : PAC, Chiller, Thermos-transformateur.Ces fonctionnalités lui permettront d’accéder à un marché assez large : industries chimiques, pétrolières, papetières et agro-alimentaires.

Hors industrie, d’autres applications peuvent-être envisagées telles que le chauffage et la climatisation de serres, les réseaux de chaleur et de froid, les bâtiments tertiaires, le transport mari-time (ferries, croisière, défense), etc.

Le pilote sera valorisé pour de nouveaux programmes de déve-loppement (discussions en cours avec un industriel).

CARACTÈRE INNOVANT

• Fluide non corrosif, non inflammable, non classé toxique.• Potentiel d’application plus étendu grâce à l’augmentation de la gamme de température.• Production de froid dans les zones chaudes sans tour de refroidissement ouverte (pas de risque légionnelle).

CONTACTS

Email : [email protected] internet : www.bertin.fr

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PARTENAIRES

Les modes de fonctionnement

Vue 3D de la technologie IONOPACCrédits: INVEN GmBH

Crédits photos : Bertin Technologies

PARCOURS E


ORC ABCCycle de Rankine Organique à bas coût de puissance allant jusqu’à 100kwéProjet accompagné dans le cadre de L’Appel à Design Echangeurset Turbines de 2013.

Démarrage : 13 décembre 2013 - Projet terminéDurée : 31,5 moisCoût total : 617 000 €Coordinateur : ENOGIAPartenaire : IFPEN

CONTEXTE

Dans le contexte actuel d’amélioration de l’efficacité énergé-tique et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, il est devenu important pour les industries de valoriser leurs rejets de chaleur. Une des formes de valorisation est la conversion en une éner-gie de plus en plus utilisée et facilement transportable, l’élec-tricité. Ce défi devient possible grâce au cycle organique de Rankine (ORC), une technologie que développe, entre autres, la société ENOGIA.

Le marché est actuellement freiné par deux facteurs : d’une part l’adaptation des turbines actuelles (de l’ordre du MW) à de petites puissances appliquées à la valorisation de flux dif-fus, et d’autre part le faible prix de l’électricité et l’absence de mécanismes incitatifs (type tarif d’achat ou certificats verts) de l’électricité produite à partir de rejets thermiques. La faible rentabilité de l’intégration d’un système ORC dans un site industriel reste donc un verrou économique majeur limitant leur développement et leur utilisation.

ENOGIA a donc fait le choix de développer et concevoir sa propre micro-turbine afin d’en optimiser les performances et de rendre la technologie suffisamment abordable pour pouvoir s’affranchir des obstacles économiques actuels.

OBJECTIFS

Le projet ORC A Bas Coûts (ORC-ABC) vise à réduire drasti-quement les coûts afin de proposer un ORC générique qui sera applicable à des domaines industriels larges, dans une gamme de puissance de 35 à 120 kWe et avec un objectif de prix de 1000 € par kWe. Le développement d’une chaîne de production permettrait la fabrication de modules standardisés dans le but d’atteindre un prix deux fois inférieur à celui du marché actuel.

La démonstration des résultats du projet aura lieu sur un site industriel où la production électrique d’un prototype de 35 kWe couvrira une partie de l’énergie nécessaire du site.

DÉROULEMENT

Dans un premier temps, la phase d’avant-projet est nécessaire afin d’établir un cahier des charges précis et d’effectuer un pré-dimensionnement. Ensuite, la conception détaillée de l’ORC permettra entre autres d’effectuer les dimensionnements et simulations du procédé ORC, incluant la turbine et les échan-geurs.

Un module ORC complet de démonstration sera réalisé, incluant notamment le raccordement des différents compo-sants, le câblage électrique et la mise en place de l’instrumen-

séminaire r&d ademela recherche au service de la transition énergétique orc abc

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tation. Des essais de validation seront réalisés avant d’installer l’ORC sur le site prévu.

Enfin, le module de démonstration sera installé sur le site pilote, et des campagnes d’essais seront effectuées afin d’exploiter les données et retours d’expérience du prototype pour préparer les prochains modules de pré-série.

En parallèle, différentes études permettront de préparer au mieux la suite du projet. En effet, une étude de marché est indispensable pour cerner le positionnement de l’ORC-ABC. De plus, l’étude approfondie de la chaîne de production permettra d’optimiser le modèle de production dans un objectif de réduc-tion des coûts de fabrication et d’installation.


Une étude de réduction des coûts d’industrialisation des ORC est en cours. Cette étude, basée sur la fabrication de prototypes déjà fonctionnels, permet de mettre en évidence les points qui permettront de réduire les coûts de fabrication de manière drastique, à savoir les effets de série sur les composants, l’organisation industrielle et les procédés de fabrication. En termes d’innovation, l’optimisation des aubages, au travers des simulations numériques d’écoulement fluide (CFD), permettra d’obtenir des turbines plus performantes et moins couteuses à fabriquer. Deux ORC de puissance électrique de 20 kWe et 40 kWe ont été développés et sont actuellement en cours de test.

D’autre part, suite à la modification de la règlementation ‘’F-Gaz’’ relative au gaz frigorigène, une analyse minutieuse a été réalisée dans le choix des fluides de travail. Elle a permis de sélectionner soigneusement des fluides frigorigènes respec-tueux de l’environnement et conformes aux obligations qui seront appliquées horizon 2025.Enogia recherche un site de démonstration capable de prouver la reproductibilité des conditions de fonctionnement et des per-formances de la technologie développée.Synthèse des résultatsRéalisation des essais des ORC 20LT et 40LT sur BANC : Les rendements du cycle mesurés durant les essais varient entre 5 et 12 %.

Estimation des gains économiques :Afin de garantir des temps de retour sur investissement accep-tables pour les industriels, l’objectif est d’atteindre un prix du kWe de 1 000 € /kWe, c’est-à-dire un investissement rentabi-lisé en moins de 3 ans. Actuellement, les efforts réalisés ont permis de parvenir à un prix de l’ordre de 1500 €/ kWe, néan-moins il reste encore de nombreuses pistes d’amélioration à explorer.

Sécurité & Environnement :Plusieurs normes et réglementations liées à ce projet sont à respecter telles que la directive « Basse Tension» (2006/95/EC), celle des équipements sous pression (97/23/EC) et la réglementation « F-GAZ» (N°517/2014) relative aux fluides fri-gorigènes.

Difficultés rencontrées : A ce stade, ENOGIA est à la recherche d’un partenaire industriel français pour la réalisation de la phase de démonstration. La dif-ficulté principale réside dans le fait de trouver un site industriel acceptant d’intégrer un projet déjà initié.


Dans de nombreux procédés industriels, de larges quantités de chaleur sont rejetées dans l’atmosphère. En France, environ 100 TWh sont rejetés par les industries, et plusieurs centaines de MWh pourraient être générés par des systèmes ORC chaque année. Il est possible de valoriser la chaleur des fumées ou des gaz d’échappement entre 200°C et 600°C, soit en optant pour un échange direct avec le fluide de travail de l’ORC, soit par le biais d’une boucle intermédiaire. Dans le cas d’échanges avec des liquides comme de l’eau surchauffée, de l’eau chaude ou de l’huile thermique, la plage de température serait plutôt située entre 80°C et 180°C.L’ORC, comme réponse au besoin d’efficacité énergétique, est particulièrement adapté aux rejets thermiques des fumées des fours de verreries, des chaleurs résiduelles de chaudières ou de procédé, des gaz d’échappement de groupes électrogènes..

CARACTÈRE INNOVANT

Développement d’une gamme de puissance (35-120 kW) com-plémentaire à l’offre actuellement disponible sur le marché (débutant à une centaine de kW et allant jusqu’à plusieurs MW), adaptée aux attentes de nombreux acteurs dont les flux de chaleur ne justifient pas l’installation d’ORC de grande puis-sance. Conception simplifiée de turbines cinétiques robustes à cou-plage direct sur l’alternateur à aimants permanents, permettant une réduction de la taille et du coût de la solution ORC, ainsi qu’une plus grande fiabilité.


PARTENAIRES

ORC 20MT

ORC 40LT


CONTACTS

Email : [email protected] internet : www.enogia.com

PARCOURS E


ORCHID +Amélioration des performances de la turbine ORCHID.Programme ADEME-TOTAL, Appel à Design de 2013 sur leséchangeurs et turbines

CONTEXTE

Les développements récents des Cycles de Rankine Organique (ORC) ont été effectués pour la production d’électricité à partir de sources à basse température telle que l’énergie solaire, la géothermie ou la combustion de biomasse. Ces travaux mettent en évidence l’importance de la sélection du fluide de travail en fonction des températures de source et de puits de chaleur ainsi que l’architecture du cycle. Sur le plan technologique, deux verrous majeurs sont la turbine de détente et le système de récupération de chaleur. En effet, les turbines axiales large-ment disponibles sont adaptées à des puissances mécaniques importantes. Cependant, aujourd’hui, ces technologies ne sont pas appliquées sur de tels cycles de récupération d’énergie qui présentent des particularités (fluides, pressions, ...) qui vont conduire à des adaptations profondes de l’existant, voire à des solutions innovantes.

OBJECTIFS

Le projet ORCHID+ constitue une suite et une amélioration de la machine ORCHID dont le développement et la démonstra-tion à l’échelle industrielle ont été soutenus par le programme ADEME-TOTAL.Dans le cadre du projet ORCHID+, Enertime poursuit deux ambi-tions :

• Appliquer des améliorations sur l’optimisation des perfor-mances aérodynamiques et mécaniques de ses turbines. • Améliorer le rendement des turbomachines tout en maitrisant leurs coûts.•.Enertime considère que l’amélioration des turbines pour ORC passent par la maitrise de certaines « techniques » connues dans le monde des autres turbomachines (à vapeur par exemple), mais peu ou pas appliquées aux fluides organiques et à leurs spécificités.Parmi ces techniques à maitriser et à utiliser, on notera notam-ment :• le dimensionnement des aubages supersoniques • la conception mécanique en porte-à-faux, pour les turbines à faible nombre d’étages • la conception des étanchéités : pour réduire les pertes aéro-dynamiques• la conception des systèmes de compensation de la poussée axiale

CARACTÈRE INNOVANT

Le projet ORCHID+ permet la création de méthodes et d’outils de conception, de dimensionnement, et d’optimisation validés pour les turbines ORC.

séminaire r&d ademela recherche au service de la transition énergétique orchid +

Démarrage : 24 avril 2014Durée : 30 moisCoût total : 804 480 € Coordinateur : ENERTIMEPartenaires : FMGC - PS2E

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Développement d’outils et de méthodes :• Dimensionnement des aubages supersoniques : Enertime en collaboration avec le laboratoire DynFluid de l’ENSAM a développé des outils de dimensionnement d’aubages superso-niques. Ces outils reposent sur la méthode des caractéristiques adaptée aux gaz denses. Enertime a ensuite effectuée une étude approfondie sur les performances de ces aubages grâce à un code de CFD commercial.

Ces travaux ont donné lieu à une publication d’un article au 3ème séminaire international ASME sur les machines ORC à Bruxelles en 2015.

• Conception des étanchéités : Enertime a développé un code d’estimation des pertes par débit de fuites dans les labyrinthes d’étanchéité en adaptant les modèles développés pour l’air aux gaz denses. Ce programme a ensuite été confronté à des simulations CFD pour la validation et sélection des coefficients empiriques présents dans les modèles.

• Conception des systèmes de compensation de la poussée axiale : Enertime a passé en revue toutes les méthodes qui per-mettent de limiter, compenser et reprendre la poussée axiale générée sur le rotor des turbines axiales afin de trouver les technologies les plus adaptées aux turbines ORC. Une nouvelle méthode de calcul basée sur une combinaison des résultats de simulations et de modèles d’écoulements simples a également été développée.

Architectures mécaniquesEnertime a étudié en détail trois types d’architectures poten-tielles (tri-corps, demi-coque, porte à faux) pour ses turbines ORC et a effectué une analyse comparative de ces solutions pour trouver les solutions optimales en fonction des cas d’ap-plications. Conception et validation du prototype à l’échelle industrielleEn cours.


La cogénération dans les éco-quartiers :Dès 500 kWe, la machine ORCHID Cogen permet de produire de l’électricité et de la chaleur 90°C à partir d’une alimentation à 200°C (eau surchauffée). Elle est particulièrement adaptée aux municipalités souhaitant se doter d’une chaufferie bio-masse générant également de l’électricité à l’échelle d’un quar-tier. L’utilisation de fluide non inflammable et non toxique per-met l’utilisation en zone résidentielle. L’efficacité énergétique dans l’industrie : La récupération de chaleur sur les fumées de plus de 250°C ou sur les boucles thermiques de refroidis-

sement de plus de 150°C, et la valorisation avec une machine ORCHID permet de produire typiquement 10 % et jusqu’à 30 % de la consommation électrique d’un site. Les applications visées sont notamment les cimenteries, les verreries, la métallurgie ...

CONTACTS

Email : [email protected] internet : www.enertime.com

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PARTENAIRES

Figure 1 : Résultats de CFD montrant les valeurs du nombre de Mach sur des aubages supersoniques dimensionnées grâce à

l’outil développé.

Figure 2 Exemple d’architecture en porte à faux adaptée à une turbine supersonique

PARCOURS E


PACO 2Développement d’une CMV d’une capacité de 3t/h.Projet accompagné dans le cadre de l’APRED 2015.

CONTEXTE

L’objectif du projet antérieur « PACO» soutenu par l’ANR était d’apporter une rupture technologique dans les applications de Compression Mécanique de Vapeur. L’objectif minimum du pro-jet était de disposer d’une technologie permettant d’élever d’au moins 30K la température saturante de la vapeur d’eau compri-mée. La technologie proposée par Johnson Controls a été celle d’une machine centrifuge à deux étages en série dont les roues sont directement montées en bouts d’arbre d’un moteur rapide sur paliers magnétiques.

OBJECTIFS

L’objectif de ce projet est de combler les besoins de compres-sion de vapeur au-delà de 20 K d’élévation de température pour des débits de 2 à 3 t/h sous 30 à 40K d’élévation de tempéra-ture et pouvant aller jusqu’à environ 4 à 6 t/h de vapeur d’eau saturée pour un écart de température de 15 à 20 K par le déve-loppement de compresseurs centrifuges.

Par rapport au projet PACO, l’objectif est de concevoir une CMV en capacité d’attendre les mêmes niveaux de compression mais sur une gamme de débit plus étendue. Au-delà de la conception de la machine, il doit également permettre de mieux cibler les secteurs industriels dans lesquels la technologie est suscep-tible de pénétrer et d’identifier un ou plusieurs sites industriels pour la réalisation d’une opération de démonstration.

DÉROULEMENT

LOT 1 - Conception de la machine

Tâche 1.1 - Moteur à paliers magnétiquesPuissance visée : 350kW.Tâche 1.2 - Etages de compression – Études aérauliquesL’aspiration du compresseur se situe entre 7500 m3/h et 21000 m3/h selon les régimes de fonctionnement.Tâche 1.3 - Etages de compression – Faisabilité technique de la fabrication des roues.

LOT 2 - Études de détail

Tâche 2.1 - Plans du moteur à réaliser par le fournisseur selon nos spécifications et intégration du refroidissement moteur.Tâche 2.2 - Plans des lignes d’arbre pour les différentes confi-gurations d’aérodynamique.Tâche 2.3 - Plans de détails de l’armoire électrique incluant l’électronique de puissance et le contrôle commande.

Tâche 2.4 - Plans d’ensemble du skid moto-compresseur et de ses utilités.

LOT 3 - Étude de marché

Tâche 3.1 – Cette étude devrait permettre d’identifier un ou plu-sieurs sites pilotes pour démonstration de la technologie.

séminaire r&d ademela recherche au service de la transition énergétique paco 2

Démarrage : 17 août 2015Durée : 15 moisCoût total : 324 000 € Coordinateur : JOHNSON CONTROLS

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Tâche 3-2 - Analyse des contraintes règlementaires pour la mise sur le marché de la machine

CARACTÈRE INNOVANT

L’innovation majeure de ce projet réside dans l’utilisation, pour actionner les roues du compresseur, d’un moteur synchrone à aimants permanents haute vitesse à paliers magnétiques.


Un modèle de calcul CFD a été développé et validé sur des géométries de compresseurs multi-étagés existants pour des applications différentes. Ce modèle a ensuite été utilisé pour développer de nouvelles géométries de compresseur adaptées à l’application PACO2. Cette étape est toujours en progression avec pour objectif une optimisation des rendements sur la plage de fonctionnement ciblée pour notre application.


La technologie CMV permet une réutilisation de chaleur fatale d’un procédé industriel qui se trouve disponible sous forme de vapeur basse pression. Après re-compression, cette vapeur est alors réutilisable dans le procédé en lieu et place de vapeur vive provenant d’un générateur de vapeur.

Après de premières démarches effectuées auprès d’industriels français, le projet permettra de réaliser une étude de marché ciblée en : France, Allemagne, Angleterre, Italie, Pologne

CONTACTS

Email : [email protected], [email protected]

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PARCOURS E


RECIFRécupérateur de chaleur innovant sur fumées.Projet accompagné dans le cadre de l’Appel à Design Echangeurset Turbines de 2013.

Démarrage : 01 mars 2015Durée : 24 moisCoût total : 507 000 €Coordinateur : KELVIONPartenaires : INSULA France

CONTEXTE

Aujourd’hui, il existe deux principaux freins au développement de solutions de récupération d’énergie, un frein technologique et un frein économique :- Technologiquement, les solutions existantes sont limitantes dans la plage de température (peu ou pas de solution en haute température), dans la surface d’échange (contrainte d’encom-brement forte et peu de solution avec surface d’échange impor-tante type tube à ailette), ainsi que dans la plage de fumées ou fluides éligibles (encrassement, corrosion, etc.)- Economiquement, la difficulté à accroitre la surface d’échange ainsi qu’à gérer les contraintes de compositions du fluide génère un cout au kWth important, et de ce fait implique un cout d’investissement élevé là où le contexte économique glo-bal pousse à la modération en termes de dépenses d’investis-sement.

OBJECTIFS

Le projet de recherche industrielle RECIF s’inscrit dans la volonté du consortium de proposer une solution d’échangeurs de récupération de chaleur innovants sur des fumées de four. Ce projet vise des fumées contraignantes avec notamment des températures élevées, soit 600°C en entrée de l’échangeur, et un fort taux d’encrassement particulaire. L’innovation principale du projet sera de proposer une technologie de tube à ailettes

permettant de résister à l’environnement contraignant des fumées choisies. En effet, cet environnement limite aujourd’hui les industriels à investir dans des échangeurs de chaleur qui ne propose pour la plupart qu’une surface d’échange limitée aux tubes nus et qui doivent souvent être remplacés fréquemment à cause de leur rapide dégradation.La température élevée de ces fumées a pourtant un potentiel très intéressant pour les industriels car elle doit permettre une évaporation d’eau sous pression. En effet, la vapeur sous pres-sion est facilement réutilisable pour les industriels, soit pour du chauffage central et ainsi éviter une surconsommation de gaz, soit pour une production électrique à l’aide d’un cycle de turbine à vapeur classique, soit simplement de la récupération de chaleur utilisable pour un autre procédé de fabrication de l’industriel. Il faut rappeler également que ce fluide de travail est propre et « presque » gratuit.

Les quatre objectifs visés pour le projet RECIF sont :• un prix cible de 100 €/KWth pour le récupérateur de chaleur,• une durée de vie 3 fois supérieure à celle d’un récupérateur standard de tubes nus,• la conception d’une technologie de tubes à ailettes présentant une surface d’échange 4 fois supérieure à celle de tubes nus• la conception d’un système de nettoyage adapté aux fumées de four.

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Une analyse économique de première estimation nous donne, sur la base d’1 MWth récupérée des fumées :• Une économie de gaz de chaudière d’environ 250 K€/ an pour un investissement de 150 K€ (fabrication et installation du récupérateur de chaleur RECIF).• Un gain de 100 à 150 K€/ an pour la production d’électricité grâce à un cycle turbine classique pour un coût de fabrication et d’installation de l’ensemble du cycle (y compris le récupé-rateur RECIF) d’environ 350 K€, soit un temps de retour sur investissement inférieur à 3 ans.

Le projet RECIF se déroulera sur 24 mois et s’arrêtera au design de la solution technologique nouvelle d’un récupérateur de cha-leur.

DÉROULEMENT

Le projet RECIF vise à concevoir un évaporateur innovant de vapeur sous pression pour les industries de fours produisant de la fumée à haute température et à fort encrassement. La température d’entrée visée des fumées est de l’ordre de 600°C, afin de pouvoir produire de la vapeur sous pression (jusqu’à 100 bars). L’idée est ici de mettre à profit la forte température afin de produire de la vapeur sous pression, facilement utilisable pour l’industriel (chauffage central, production d’électricité, etc.).

La haute température et le fort encrassement sont des freins à l’utilisation d’échangeurs performants utilisant des surfaces d’échanges autres que celle de tubes nus. Les principaux objectifs de ce projet seront donc de proposer un évaporateur à tubes cylindriques dont la surface d’échange sera augmentée au moyen d’ailettes. Ces tubes à ailettes devront répondre au cahier des charges de l’industriel, à savoir résister à la corrosion chimique et surtout mécanique des fumées et/ou du procédé de nettoyage, résister à la très haute température et limiter l’encrassement de l’échangeur dans le temps.

Trois phases techniques seront donc abordées dans ce projet afin d’améliorer la technologie existante :• Phase 3 relative à la problématique de l’encrassement parti-culaire et la performance thermo-aéraulique• Phase 4 relative à la problématique du nettoyage de l’encras-sement• Phase 5 relative à la résistance des tubes à ailettes aux diverses contraintes environnementales (température, corro-sions mécanique et chimique).

D’un point de vue technique, l’échangeur sera composé de deux collecteurs résistant à la pression auxquels des tubes à ailettes seront soudés. À cause d’un différentiel de température très importante entre la fumée et le fluide de travail (la vapeur

sous pression), l’ensemble de l’équipement devra prendre en compte les effets de dilations thermiques. Par exemple, les ailettes devront être discontinues et les tubes devront pouvoir se dilater dans le sens de leur longueur. Le design du tube à ailette sera étudié de manière à répondre aux critères des objectifs fixés, à savoir résister aux fortes températures et aux contraintes mécaniques d’un fort encrassement particulaire ou d’un système de nettoyage spécifique. Aussi les matériaux sus-ceptibles de répondre favorablement à ce cahier des charges seront peut-être « améliorés » ou « traités » et/ou revêtus d’une fine couche protectrice. Les phases 3, 4 et 5 sont donc extrêmement liées les unes avec les autres. Le design même des ailettes sera également important, car le pas entre les ailettes, leurs épaisseurs et leurs hauteurs modifieront la dyna-mique de l’encrassement au cours du temps.

CARACTÈRE INNOVANT

La littérature scientifique sur le sujet fait apparaître trois axes de travail pour la recherche :• Développer de nouveaux matériaux à bas prix résistant à la corrosion et aux fortes températures,• Développer des systèmes de maintenance économique sus-ceptible de nettoyer de façon simple et efficace l’encrassement des fumées,• Améliorer les transferts thermiques des échangeurs de récu-pération de chaleur, soit en augmentant la surface d’échange, soit en augmentant le coefficient de transfert thermique entre le tube et la fumée.

Le projet RECIF vise donc principalement à adapter une techno-logie – le tube à ailette – dans un environnement très contraint qui ne lui convient pas dans son design actuel. Les risques techniques du projet sont donc :• Trouver le ou les bons matériaux du tube et des ailettes afin de garantir une résistance mécanique importante face aux par-ticules de fumées, au système de nettoyage et à la dilatation thermique.• Trouver une géométrie et un espacement d’ailette qui per-mettent d’augmenter la surface d’échange de manière signifi-cative sans augmenter la vitesse de propagation de l’encrasse-ment de l’échangeur.• Trouver un système de nettoyage efficace qui ne soit pas trop agressif pour les tubes à ailettes.


L’ensemble de la phase 2 du projet RECIF est terminée compre-nant l’étude marketing et économique détaillée du secteur, le choix de deux industriels acceptant de nous fournir chacun leur encrassement issue du filtrage de leur fumée, l’analyse granu-lométrique et l’analyse des éléments de chacune de ses pous-


sières. Les deux encrassements récupérés nous donnent une taille moyenne de particules différentes ainsi que la présence d’éléments également différents.

La phase 3 du projet concernant l’encrassement est à moitié réalisée. Le montage du banc de test d’encrassement sera ter-miné fin mars 2016. Six maquettes thermiques dont une de référence avec tubes nus et cinq autres avec des tubes ailettés sont déjà fabriquées et en attente d’être testées. Ces mesures doivent nous permettent de caractériser la performance ther-mique de chaque maquette sans encrassement ainsi que la perte de performance dans le temps avec l’encrassement. Trois paramètres sont étudiés ici, l’espacement entre ailettes, sa hauteur et son épaisseur.

La phase 4 du projet est à hauteur de 30% réalisée. L’état de l’art et l’étude bibliographique ont été réalisés. Les sessions de brainstorming sont en cours, nous avons déjà sélectionné deux types de nettoyage à tester, dont celui de référence par grenaillage. Un dernier système de nettoyage doit être étudié qui est en cours d’étude. L’investigation expérimentale sur ces trois solutions devrait pouvoir débuter à partir de Juillet 2016.

La phase 5 du projet a également commencé, le choix du maté-riau de base a été effectué mais des améliorations de surfaces (revêtement ou autres) sont à l’étude. Plusieurs pistes ont été sélectionnées, celles-ci devront être testées à partir de Juillet 2016.


Le projet RECIF vise avant tout une température de fumée com-prise entre 300°C et 600°C, soit un gisement récupérable en France d’environ 0.8 GWth et 0.1 GWe si son utilisation est de produire de l’électricité via un cycle de turbine à vapeur. De plus, le projet RECIF visera un encrassement particulaire spé-cifique à un type d’industrie et ne pourra pas forcément être adaptable à d’autres types d’encrassement. Aussi en prenant comme hypothèse une adaptation du récupérateur de cha-leur RECIF de 6% sur le gisement récupérable de 0.8 GWth, on obtient 50 MWth soit 5 M€ de chiffre d’affaire en France et environ 50 M€ en Europe. D’un point de vue environnemen-tal, cette chaleur (surtout concernant les fumées à forte tem-pérature et/ou à fort encrassement) est perdue dans les airs. Réussir à convaincre les industriels à investir dans les techno-logies de récupération en leur apportant des solutions dont le retour sur investissement est intéressant, c’est directement :

• Économiser de l’énergie fossile si la chaleur récupérée est uti-lisée pour le chauffage central ou directement dans le procédé de fabrication de l’industriel.• Produire de l’électricité et éviter des implantations nucléaires

nouvelles de plus en plus contestées par l’opinion publique (surtout depuis les évènements de 2011 au Japon) ou des implantations renouvelables le plus souvent couteuses dont le rendement économique est surtout lié à un prix de rachat supé-rieur à celui produite de manière conventionnelle.

Les secteurs d’application possible d’un tel projet com-prennent :• Le secteur de l’énergie : raffinerie de pétrole, centrale de pro-duction électrique, ainsi que toutes les unités d’énergie pré-sentes au sein des sites industriels.• Les industriels : sidérurgie (haut fourneau, four à arc), indus-trie du papier (cuisson, séchage), industrie de l’aluminium ou du verre (coulée à chaud) et enfin la chimie et la pétrochimie.

CONTACTS

Kelvion Thermal Solutions S.A.S.M. BARITEAU NicolasEmail : [email protected] internet : www.kelvion.com

INSULA France S.A.R.L.M. TRAONVOUEZ LucEmail : contact @insula-france.com


PARTENAIRES

PARCOURS E


RREFLEXOutil logiciel Robuste pour la conception de Réseaux d’Echangeurs de chaleur Flexibles.Programme ADEME-TOTAL, 8e AMI Multi-thématique de 2013.

Démarrage : 19 juin 2015Durée : 38 moisCoût total : 768 800 €Coordinateur : LGCPartenaires : PROSIM - INEOS - ROUSSELOT - PS2E

CONTEXTE

Dans un contexte de promotion de développement durable et de raréfaction des ressources en énergie fossile, les industriels sont à la recherche de solutions technologiques leur permet-tant de rationaliser leur consommation énergétique et leurs émissions de gaz à effet de serre. De récentes études ont mon-tré que, sans rupture technologique, la diffusion et la mise en œuvre de meilleures pratiques peut permettre d’économiser une quantité significative d’énergie primaire. Un levier pour atteindre cet objectif réside dans les approches dédiées à l’inté-gration énergétique, approches visant à minimiser l’énergie requise moyennant le recyclage interne de l’énergie disponible au sein du procédé. Cependant le manque d’outils logiciels adaptés constitue encore aujourd’hui un frein à la dissémina-tion de ces techniques dans l’industrie

OBJECTIFS

Le projet RREFlex vise à combler ce manque. Il s’inscrit dans la continuité du projet PIVICi, financé par le programme ADEME APEPI. Le prototype logiciel développé aura pour vocation de proposer une méthodologie nouvelle facilitant l’intégration énergétique de procédés et répondant au mieux aux attentes du responsable du site de production. Ce projet s’intègre dans le domaine 2.2 de l’AMI : « Amélioration de l’efficacité énergé-tique des utilités et procédés transverses » et concerne plus

précisément les « approches générales et transverses ». Afin de démontrer le caractère transverse de l’outil, ce dernier sera exploité pour la proposition de solutions d’intégration énergé-tique sur des sites de production issus de différents secteurs de l’industrie : chimique et agro-alimentaire.

DÉROULEMENT

Le projet RREFlex se compose de 4 lots techniques :

• Lot 1 : développements méthodologiquesIl concerne le développement des Modèles dédiés à la synthèse optimale de réseaux d’échangeurs viables et robustes ainsi que la formulation des Critères d’évaluation des réseaux d’échan-geurs.

• Lot 2 : Implémentation du logiciel prototypeCe lot constitue le cœur du projet avec le développement du logiciel prototype, sa consolidation et sa validation au travers d’un benchmark d’exemples judicieusement choisis.

• Lot 3 : Acquisition des données sur les Sites IndustrielsLe logiciel sera exploité pour la proposition de solutions d’inté-gration énergétique sur des sites de production issus de diffé-rents secteurs de l’industrie : industrie chimique (fabrication

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de PVC et de MVC) et industrie agro-alimentaire (fabrication de gélatine). Ce lot vise à collecter les données sur trois sites.

• Lot 4 : Test et mise au point du Logiciel prototypeLe logiciel prototype sera appliqué sur les 3 sites retenus.

CARACTÈRE INNOVANT

Le prototype logiciel développé dans le cadre de ce projet aura pour vocation de proposer une méthodologie nouvelle facilitant l’intégration énergétique de procédés et répondant au mieux aux attentes du responsable du site de production. L’outil pro-posé visera en outre à proposer des réseaux d’échangeurs de chaleurs qui conserveront l’opérabilité du système intégré pour différents scenarios de productions (points de fonctionnement multiples, perturbations et incertitudes sur les propriétés des courants).


Le projet, d’une durée de 3 ans a démarré le 1er octobre 2015. Conformément au planning prévisionnel, seuls les 3 premiers lots ont connu des avancées significatives.

• Lot 1 (développement méthodologique) Une version préliminaire du modèle d’optimisation dédiée à la synthèse des réseaux d’échangeurs de chaleur a été déve-loppée. Dans ce modèle, le réseau d’échangeurs de chaleur est représenté comme un graphe bipartite, graphe qui conduit à la formulation d’un modèle MILP (« Mixed Integer Linear Programming »). Des heuristiques visant à réduire la combina-toire du problème ont aussi été mise en œuvre et implémen-tées. Enfin, un benchmark d’études de cas a été proposé et résolu avec cette version préliminaire du modèle.

• Lot 2 (Implémentation du logiciel prototype)L’architecture logicielle a été établie (voir figure jointe). Celle-ci repose sur l’exploitation des technologies Microsoft avec :• une interface graphique développée en C# et exploitant la technologie WPF (Windows Presentation Foundation).• la gestion de la persistance des données grâce à une couche d’accès aux données (Entity Framework).• Un noyau de calcul développé en C++ et assurant notamment l’interface avec le solveur numérique CPLEX proposé par IBM

• Lot 3 (Acquisition des données sur les Sites Industriels)La phase de collecte des données sur les 3 sites sélectionnés a été initiée :• Sur le site VYNOVA de Mazingarbe (production de PVC) qui a déjà fait l’objet du projet PIVICI (projet APEPI ADEME), les don-nées sont déjà disponibles.• Sur le site VYNOVA de Tessenderlo (production de MVC),

la visite du site a été effectuée et la modélisation du site est actuellement en cours. Un stagiaire LGC sera recruté ( Mai 16 à Sept 16) pour finaliser la tâche.• Sur le site de Rousselot de L’Isle sur La Sorgue (production de Gélatine), une stagiaire Rousselot a été recrutée (Mars 16 à Sept 16). La visite du site est prévue les 18-19 avril.


Les retombées attendues du projet sont pour ProSim une meilleure efficacité dans la réalisation de ces études grâce à l’utilisation d’outils performants, et donc une augmentation du nombre de prestations menées chaque année dans ce domaine. Par expérience, si les préconisations résultant de ces études permettraient en théorie de réduire de 30 à 40% la facture énergétique, les industriels ne réalisent qu’une partie des modifications suggérées, et l’économie réalisée est en réalité de l’ordre de 20%. Pour une installation «moyenne», cela repré-sente environ 4 t/h de vapeur économisée, soit une économie annuelle estimée à 800 000 € par an. Ce montant est assez représentatif des économies réalisées par les clients de ProSim lors des dernières études menées dans ce domaine.

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CONTACTS

Email : [email protected]

PARTENAIRES

RREFlexArchitectureLogicielle

RREFlexConsortium

RREFlexProcess

PARCOURS E


SÉCHAGE VES +Sécheur utilisant la Vapeur d’eau surchauffée pour des sites ayant des besoins évaporatoires > 10 t/hProjet accompagné dans le cadre du Programme ADEME-TOTAL, 6e Appel à Manifestation d’Intérêt Multi-thématiques de 2011.

Démarrage : 01 mars 2012Durée : 36 moisCoût total : 1 879 000 €Coordinateur : MAGUIN Partenaires : UNGDA, CRISTAL UNION, AGROPARITECH, L-RD

CONTEXTE

La technologie du séchage est considérée comme l’une des plus énergivores. Malgré ce fait et plusieurs crises énergé-tiques, peu d’avancées significatives pour réduire la consom-mation d’énergie ont été proposées à l’échelle industrielle. Les industriels ont jusqu’à présent plus joué sur la matière sèche du produit et la substitution de l’énergie fossile par de la bio-masse (substitution qui ne réduit pas la consommation d’éner-gie d’une ressource qui connaît déjà des limitations d’approvi-sionnement).

Le séchage des produits en particules (pulpes de betteraves, drêches, luzerne, marcs de distilleries vinicoles, boues de station d’épuration) par gaz de combustion ou par air chaud à des températures équivalentes est un procédé énergivore et producteur de poussières et de COV. Les contraintes règlemen-taires pèsent de plus en plus lourd sur les exploitants qui voient évoluer les arrêtés de classement dans le sens d’une réduction drastique de ces émissions.

Sur les technologies actuelles qui ne permettent pas de cou-plages performants les consommations énergétiques restent de l’ordre de 800 kWh/tee (tonne eau évaporée). Des utilisateurs s’orientent vers l’utilisation de biomasse pour générer par com-bustion les gaz chauds de séchage. Néanmoins la biomasse est

une ressource au coût variable dont la disponibilité dépend des besoins qui sont croissants.

OBJECTIFS

Le projet vise à mettre au point un démonstrateur de séchage VES d’une capacité évaporatoire d’au moins 20 kg/h pou-vant travailler sous pression (au moins 0,1 à 1 bar relatif) avec des températures d’entrée de la VES de l’ordre de 600°C. Ce démonstrateur équipé d’un système autonome de chauffage par combustion pour atteindre des températures élevées sera bien instrumenté afin de pouvoir réaliser les expériences dans les meilleures conditions de contrôle du procédé, des produits et des effluents.Ce démonstrateur pourra être déplacé sur plusieurs sites indus-triels pour tester le séchage différents produits (luzerne, pulpes de betterave, marcs de distillerie vinicole, boues de station d’épuration).

Tout en améliorant la qualité des produits, il s’agira de :• Permettre le couplage énergétique permettant une diminution de l’intensité énergétique du site en valorisant une partie de la vapeur.• Réduire les émissions de COV et de particules.• Supprimer les pertes de matières par combustion.• Réduire la taille des équipements.

séminaire r&d ademela recherche au service de la transition énergétique séchage ves +

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DÉROULEMENT

Les phases du projet :• Conception et réalisation du pilote pour un fonctionnement en VES+.• Conduite des essais sur des sites industriels (drêches de dis-tillerie, marcs, luzerne et pulpes de sucrerie).• Extrapolation des résultats pour une mise à l’échelle indus-trielle.

Séchage air chaud Séchage VES P atm. Séchage VES+

Conso spécifique de séchage (1)kJ/kg

2 930 /

1 460 (50%)

1 250 (57%)

Capacité de productionà même température

sur même équipement (2)/ +30% +50%

Température de saturation (3) / 97°C 118°C

Séchage air chaud Séchage VES à pression atm. Séchage VES+

Rejets polluants /Concentration/10

Et plus jusqu’à destruction complète

Moins d’incondensablesDiminution des débits de

polluants


Le démonstrateur est monté sur le site de Serville de la société MAGUIN. Les premiers essais à l’eau et avec de la pulpe de betterave ont montré qu’il est nécessaire d’apporter encore quelques modifications. Une fois le bon fonctionnement du démonstrateur validé à Serville, il sera transporté sur le site de LUZEAL à Pauvres pour des essais à grande échelle.


Estimations des gains énergétiques :

(1) Économie d’énergie/Réduction des temps de retour sur investissement.(2) A même capacité/Réduction de la taille des équipements.(3) Température de récupération plus haute/Meilleure valorisa-tion de l’énergie.

Réduction des rejets polluants :

Amélioration de la qualité du produit :• Aucun risque de polluer le produit avec le gaz de combustion de séchage ;• Taux d’oxygène presque nul/pas de risque de combustion du produit lui-même.Difficultés rencontrées :• Conception d’un pilote semi-industriel ;• Conception d’une installation selon la réglementation liée aux équipements sous pression DESP 97/23/CE ;• Développement d’un système étanche d’alimentation de pro-duit humide sous une pression de 1 bar relatif.3Sécurité & Environnement :• Taux d’oxygène presque nul/pas de risques d’incendie.


Secteurs d’applications : Agro-alimentaire, papeterie, ...Marché : Sucrerie de betterave, distillerie, luzerne, ...

CARACTÈRE INNOVANT

Séchage VES sous pression - Couplage énergétique en VES+ -Destruction des incondensables - Conception de l’échangeur surchauffeur - Système étanchéité E/S produit.


PARTENAIRES

Schéma de principe

Photo du démonstrateur


CONTACTS

Email : olivier.deur@ maguin.comSite internet : www.maguin.com/-Sechage-

PARCOURS E


SEMISOL Séchage par Concentrateur à miroir de Fresnel Solaire.

Programme accompagné dans le cadre de l’APRED 2015.

Démarrage : 18 août 2015Durée : 18 moisCoût total : 350 829 €Coordinateur : IDHELIOPartenaires : LFG - ARMINES

CONTEXTE

SEMISOL est un projet de R&D qui vise à favoriser le séchage solaire actif. Le couplage entre la ressource solaire et les pro-cessus de séchage doit concilier l’intermittence solaire et les exigences du produit à déshydrater.

Il s’agit ainsi d’avoir un séchage actif, se libérant des contraintes des séchages naturels et passifs sans être aussi limité en terme de niveau de température et de ressource énergétique conti-nue. Le recours à un combustible fossile d’appoint doit être le plus limité possible. Seule une concentration du rayonnement solaire permet d’obtenir des températures d’air plus élevées, avec une production plus régulière sur la journée, des pertes thermiques faibles et un stockage de taille réduite.

OBJECTIFS

L’objectif est de valider la faisabilité du couplage du sys-tème HELIO SMART développé par IDHELIO avec une cabine de séchage par léchage développée par la société Le Froid Graulhétois (LFG). Le système HELIO SMART est constitué d’un concentrateur à miroir de Fresnel utilisant de l’air à 250°C comme fluide thermique et couplé avec un stockage thermique en lit de roche traversé par de l’air. Les enjeux du projet sont ainsi de : • Valider le concept du séchage solaire avec le procédé HELIOSMART.

• Étudier les modes de pilotage des systèmes couplés.• Quantifier l’impact environnemental (économie d’énergie fos-sile).• Identifier un site de démonstration industriel et évaluer les marchés d’applications.

DÉROULEMENT

SEMISOL est un projet collaboratif entre les sociétés IDHELIO, LFG et le laboratoire ARMINES/RAPSODEE de l’Ecole des Mines d’Albi. Le projet se déroule sur une durée de 18 mois et a débuté en juillet 2015.

Le projet comporte une première phase d’étude et développe-ment comprenant la modélisation du système avec son proces-sus de séchage, l’amélioration du concentrateur solaire avec son stockage thermique. La deuxième phase du projet consiste en une validation expérimentale à partir du démonstrateur IDHELIO de 24 m2 de miroirs et 50 kWh de capacité de stoc-kage thermique localisé sur le site de l’Ecole des Mines d’Albi.

Le projet cible plus particulièrement le séchage des fruits et légumes et du bois. La troisième phase du projet consiste en une évaluation technico-économique du concept complet avec notamment l’identification d’un site industriel pouvant accueillir un projet de démonstration.

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CARACTÈRE INNOVANT

Les innovations du procédé HELIO SMART sont l’usage de l’air haute température (>250°C) comme fluide caloporteur, évitant l’usage d’huile thermique ou le fonctionnement sous pression et la forte intégration avec le stockage thermique permettant une couverture solaire élevée avec des coûts réduits.


Le projet est à mi parcours. La capacité d’effectuer un cycle de séchage à partir du système HELIO SMART est validée. Cette première phase de travaux a permis de mettre en place la cabine de séchage et de réaliser son couplage avec le concen-trateur solaire et le stockage thermique d’IDHELIO. Le système de pilotage a été automatisé. Les premiers essais sur des maté-riaux témoins ont permis de valider la faisabilité du couplage avec la maîtrise des niveaux de température et des taux d’humi-dité.

Parallèlement, des travaux d’amélioration du système HELIO SMART ont été menés. Ces travaux concernent la précision du système de suivi solaire, les architectures des supports miroirs et du récepteur. Leur mise en œuvre doit permettre d’atteindre la cible de productivité solaire de 550 kWh/m2/an (Albi) avec un taux de valorisation utile de la chaleur solaire de 90% et pour un niveau de température de 250°C.

Ces performances et les cycles de séchage sur des tomates et des ananas seront validés après la période expérimentale de l’été 2016. Le dernier volet technico-économique du projet a permis d’identifier un site pour une véritable expérimentation industrielle.


Les applications de séchage sont celles visées prioritairement par IDHELIO. Elles couvrent de fait les applications ayant une utilisation directe de l’air chaud dans leurs procédés. Le marché des fruits et légumes est plus particulièrement ciblé. La diver-sité des produits à sécher est très grande : tomate, pruneau, banane, champignon, ail rose, plantes médicinales ...

Les applications de séchage concernent aussi le secteur des matériaux de construction, la biomasse, les boues de station d’épuration. Par extension, on peut également citer la cuisson et la torréfaction (café, cacao, brasserie..).Le séchage dans le secteur de la métallurgie doit également être considéré pour des applications de peinture et de traite-ment thermiques.

CONTACTS

Email :[email protected] internet : www.idhelio.com

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PARTENAIRES

Site expérimental : Concentrateur à miroir de Fresnel, stockage thermique, cabine de séchage

PARCOURS E


SESAME Couplage du séchage du papier à la vapeur d’eau surchauffée avec une technologie de recompression mécanique de vapeur.Programme accompagné dans le cadre de l’APRED 2015.

Démarrage : 16 octobre 2015Durée : 12 moisCoût total : 168 874 €Coordinateur : Centre Technique du Papier

CONTEXTE

Le papier est fabriqué à partir d’une suspension de fibres cellu-losiques faiblement concentrée. Le séchage du papier est donc indispensable et s’effectue dans une sécherie.

Le poste séchage représente de 90 à 95% de la consommation d’énergie thermique des sites papetiers et constitue donc une priorité d’action pour réduire la consommation d’énergie.

L’énergie apportée lors du séchage se retrouve principale-ment sous forme de chaleur latente dans les buées extraites de la sécherie. Même s’il existe des systèmes de récupération d’énergie sur ces buées, il est actuellement difficile de récupé-rer plus de 15% de la consommation énergétique de la sécherie. Le projet SESAME vise à augmenter considérablement ce taux de récupération.

OBJECTIFS

Le projet SESAME a pour objectif de récupérer la chaleur fatale contenue dans les buées de sécherie en couplant les technolo-gies de séchage à la vapeur d’eau surchauffée et la recompres-sion mécanique de vapeur.Il vise également à préparer un futur projet de démonstrateur industriel.

DÉROULEMENT

Le projet se compose de quatre étapes :

• La première étape consiste à définir les configurations de sécherie de machine à papier permettant un apport efficace de vapeur d’eau surchauffée par soufflage pour obtenir un taux d’évaporation optimal dans la sécherie.• La deuxième étape consiste à évaluer la disponibilité techno-logique des systèmes de recompression mécanique de vapeur aux niveaux de température-pression et débits nécessaires.• L’étape suivante vise à garantir la possibilité de couplage des technologies de séchage à la vapeur d’eau surchauffée et de recompression mécanique de vapeur.• La dernière étape du projet sera la construction d’un dossier de démonstration. Une étude de marché sera réalisée afin d’ap-puyer la pertinence d’un démonstrateur.

CARACTÈRE INNOVANT

L’utilisation de la vapeur d’eau surchauffée n’a jamais été mise en œuvre industriellement pour le séchage du papier. La com-binaison de briques technologies (séchage à la vapeur d’eau surchauffée et recompression mécanique de vapeur) ainsi que l’intégration dans une sécherie de machine à papier ont un caractère fortement innovant.

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La définition des configurations de sécherie de machine à papier permettant d’obtenir un taux d’évaporation optimal s’appuie sur un outil de simulation numérique développé par le CTP. Cet outil a tout d’abord permis de définir et modéliser des sécheries de référence représentant les différentes sortes de papier fabriquées. Dans cet outil, un module spécifique au séchage à la vapeur d’eau surchauffée a été implémenté, offrant la possibilité de faire varier différents paramètres (température de la vapeur d’eau surchauffée, vitesse de soufflage ...). L’outil permet d’estimer notamment l’évolution des taux d’évapora-tion, de la quantité de vapeur générée et son niveau de tempé-rature. Il permet également de calculer les économies d’énergie associées. Différentes configurations d’implantation ont été simulées et des caractéristiques se dégagent. L’outil a enfin été complété par un module de recompression mécanique de vapeur.

En parallèle, différents acteurs ont été rencontrés en vue de construire un consortium pour la réalisation d’un démonstra-teur.


90 sites papetiers sont présents sur le territoire français et peuvent potentiellement être concernés par la mise en œuvre de ce système de séchage avec récupération d’énergie. Par ailleurs, les débouchés au niveau mondial sont importants (la production mondiale de papier représente 50 fois la production française).

Enfin, le concept et les technologies proposées seraient trans-férables à d’autres secteurs de production en continu (séchage des textiles, séchage des voiles de fibres de verre ...).

CONTACTS

Email : [email protected] internet : www.webCTP.com

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PARTENAIRES

PARCOURS E


SOLARWOOD L’énergie solaire : apport thermique et électriquepour l’alimentation complémentaire pour les séchoirsà bois. Programme accompagné dans le cadre de l’APRED 2015.

Démarrage : 29 septembre 2015Durée : 24 moisCoût total : 333 670 €Coordinateur : BASEPartenaires : CATHILD - FCBA

CONTEXTE

Au sein de la filière bois française, les acteurs de la première transformation sont capables de fournir des sciages séchés pour le marché du bois d’œuvre (menuiserie, parqueterie etc.). Les taux d’humidité désirés s’obtiennent par séchage artificiel effectué dans un séchoir spécialement adapté au séchage des sciages.La consommation d’énergie pour sécher représente plus de dix fois celle nécessaire à l’opération de sciage. Pour les scieries équipées de séchoirs, l’énergie utilisée au séchage représente généralement le premier poste de consommation énergétique.

La scierie française a séché en 2012 15% d’un total de 7,9 mil-lions de m³ sciés pour plus de 500 GWh d’énergie consommés. D’ici 2020 la part de sciages séchés aura doublé. La limitation de la consommation énergétique du procédé de séchage repré-sente donc un enjeu capital pour les entreprises et constitue un levier puissant en termes de compétitivité.

OBJECTIFS

L’objectif du projet est de démontrer la faisabilité technico-éco-nomique d’une installation de séchage utilisant comme source d’énergie thermique un mixte solaire thermique associé au gaz naturel, au GPL ou à l’électricité.

L’ambition du projet est de proposer une alternative à l’utilisa-tion exclusive d’énergie fossile (Gaz naturel ou GPL) pour les installations de petites et moyennes tailles ne pouvant béné-ficier de chaudière biomasse. L’utilisation d’énergie thermique issue du solaire couplée à une énergie fossile dans une solu-tion hybride, doit permettre, d’une part de réduire la facture énergétique des entreprises et d’autre part de participer à la réduction des émissions de gaz à effet de serre conformément aux engagements de la France aux horizons 2020 et 2030.

DÉROULEMENT

Dans un premier temps, il nous faudra montrer la faisabilité technique du couplage des sources d’énergie sur un séchoir de laboratoire, puis dimensionner le système pour trouver un optimum entre qualité, délai de séchage, coût de l’installation et consommation d’énergie primaire (gaz ou électricité). Il sera ensuite nécessaire de développer un système de régulation dédié qui assure une permutation entre les sources d’énergie sans incidence sur le résultat du séchage.

Suite à ces travaux préparatoires, viendra une phase d’installa-tion du système de manière à ce que l’ensemble soit opération-nel un an après le lancement du projet.

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La seconde année du projet sera dédiée à des tests de séchage ainsi qu’à l’analyse de rentabilité de la solution développée d’un point de vue économique et environnemental.

CARACTÈRE INNOVANT

Ce projet doit permettre de faire usage d’une technologie hybride photovoltaïque / thermique pour couvrir les besoins énergétiques de séchoirs au bois d’œuvre. Les spécificités du projet résident d’une part dans l’emploi de la technologie COGEN’AIR pour les applications de séchage de bois d’œuvre, pour produire de la chaleur et de l’électricité ‘propre’, et d’autre part dans la mise en place d’une gestion bi-énergie de l’alimen-tation énergétique du séchoir.


Le projet est actuellement dans sa première phase, celle de définition de l’architecture à envisager et du dimensionnement. Après une étude détaillée des spécifications du procédé de séchage de sapin et pin maritime à haute et basse tempéra-ture, les échanges entre les partenaires du projet ont conduit à définir un système composé de panneaux hybrides photovol-taïques-thermiques qui soufflent de l’air chaud sur une pompe à chaleur air-eau. Cette dernière envoie de l’eau chaude dans un ballon tampon. Ce ballon permet d’assurer un déphasage en cas de besoins thermiques du séchoir en dehors des périodes de production solaire. Lorsque le système de régulation détecte un besoin dans le séchoir, le ballon envoie de l’eau vers un échangeur air-eau qui permet d’extraire la chaleur du fluide et de la transmettre à l’air circulant dans le séchoir.

L’étude énergétique détaillée nous conduit en première approche à un système composé de 9 panneaux PV-T COGEN’AIR associés à une pompe à chaleur de 2,5 kWc et à d’un ballon tampon d’environ 500 L. Ce dimensionnement unique est ajusté en fonction des différentes tables de séchage considérées. Il ne vise pas à couvrir la totalité des besoins énergétiques du séchoir. À court terme, les prochains verrous à lever se situent d’une part au niveau de la définition détaillée du système de régulation des deux sources d’énergie et d’autre part de l’intégration des éléments prévus sur la toiture du bâti-ment du FCBA.


La scierie française comptabilise 1762 entreprises en 2010 dont près des 3/4 sont artisanales (moins de 2000 m3 de bois scié par an). Ces petites et moyennes structures sont généralement équipées de chaudière au gaz naturel ou au GPL car le coût de l’investissement initial d’une chaudière biomasse impacte for-tement le prix de revient du kWh pour de petites installations.

Par ailleurs, le taux d’emploi des séchoirs dans les petites et moyennes structures est généralement proche de 50% et donc en inadéquation avec une production de chaleur continue pro-posé par les chaufferies bois. Le marché visé des scieries arti-sanales doit être ramené à environ 900 sites en considérant seulement les installations capables d’avoir des chargements homogènes de 20 à 40 m3.

CONTACTS

Email : [email protected]@base-innovation.com Site internet : www.base-innovation.com

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PARTENAIRES

Figure 1 - Vue de principe d’une desarchitectures envisagées dans le cadre

du projet SOLARWOOD

Figure 2 - Exemple de résultat de simu-lation énergétique pour du séchage

de sapin

Figure 3 - Séchoir laboratoire de CATHILD au FCBA, sur lequel viendra

s’intégrer le système développé dans le projet

PARCOURS E


SONATETester les approches de nanostructuration sur des oxydes afin de disposer de matériaux performants à basse tem-pérature pour la thermo-électricité.Projet accompagné dans le cadre du Programme ADEME-TOTAL, 6e Appel à Manifestation d’Intérêt Multi-thématiques de 2011.

Démarrage : 01 mai 2012 - Projet terminéDurée : 36 moisCoût total : 960 000 €Coordinateur : Université François RabelaisPartenaires : CRISMAT, HUTCHINSON

CONTEXTE

Dans de nombreux secteurs industriels, d’importantes quanti-tés de chaleur perdue sont générées et plus particulièrement à basse température (< 200°C). Utiliser ces sources de chaleur perdue afin de produire de l’énergie électrique serait une contri-bution importante à un développement durable et permettrait de limiter aussi bien la consommation en énergies fossiles que les quantités de gaz à effet de serre émises.

Les matériaux thermoélectriques sont capables de transformer directement la chaleur en énergie électrique et inversement (effets Seebeck et Pelletier).

Les matériaux actuellement performants dans cette gamme de température présentent un certain nombre de handicaps pour des applications industrielles nécessitant de couvrir de grandes surfaces : certains des éléments les composant sont rares, chers (tellure, antimoine, terres rares, ...) et/ou toxiques, et leur stabilité sous une atmosphère oxydante est limitée.

OBJECTIFS

Le projet SONATE vise à tester des approches de nanostructu-ration sur des oxydes afin de disposer de matériaux performant pouvant permettre la récupération d’énergie à partir de chaleur

perdue à basse température (< 200°C), mais aussi stables sous atmosphère oxydante, faciles à produire en grandes quantités, peu chers et respectueux de l’environnement et de la santé. Les matériaux de type n et de type p élaborés dans le cadre du projet devront présentés des valeurs de facteur de mérite ZT de l’ordre de celles de Tellurures, seuls produits commerciaux actuels (ZT ≈ 0,5-1 à 500 K) afin d’obtenir :

• Des prix de modules plus faibles.• Une efficacité 0,5W/cm2.• Un coût compétitif de 1€/W.

DÉROULEMENT

Les phases du projet :Synthèse et caractérisation des matériaux de type p (Ca3Co4O9) et de type n (ZnO) :

• dopages.• nanostructuration.• étude des contacts sur les céramiques.• design et assemblage des modules.• installation des modules démonstrateurs sur une extrudeuse du groupe HUTCHINSON et caractérisation des performances.

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Le projet s’est terminé en mai 2015.Matériaux :• Amélioration des propriétés des céramiques de type p par dif-férentes substitutions ;• Amélioration des propriétés des céramiques de type n par dif-férents dopages ;• Frittage de nanoparticules de ZnO à 500°C ;• Texturation de céramiques de ZnO à grains isotropes ;• Synthèse de phases ordonnées ZnO-Ga2O3 ;• Amélioration des propriétés des céramiques de type p par nanostructuration ;Contacts :• Mise en place d’un banc de mesures des résistances de contact.• Test de différents métaux.• Production de céramiques contactées.• Production de 6 modules thermoélectriques.Estimation des gains énergétiques :• Installation des modules sur une extrudeuse.Les travaux restants :• Améliorer les performances des oxydes constituant le module et la qualité des interfaces ZnO-électrode.


Secteurs d’applications :• Dans le cadre de ce projet la récupération d’énergie thermique aura lieu sur les procédés de transformation à chaud de la matière organique du groupe HUTCHINSON.• Plus généralement, tous les secteurs qui présentent des sources de chaleur perdue sont potentiellement concernés : La technologie est adaptable à différentes sources de chaleur et échelles.Estimation des gains énergétiques & économiques : • Dizaines de mW/m2 à 80°C• Centaines de W/m2 à 750°CSécurité & Environnement : Les matériaux développés dans le cadre du projet ne présentent pas de toxicité majeure pour l’environnement.Difficultés rencontrées : • Les résistances de contact entre ZnO et Ag restent impor-tantes et nécessitent une amélioration.

CARACTÈRE INNOVANT

• Système de production d’électricité à partir de chaleur perdue peu encombrant sans partie mobile.• Modules non toxiques.• Nanostructuration d’oxydes.• Nouvelles compositions de matériaux thermoélectriques.

CONTACTS

Email : [email protected] internet : www.greman.univ-tours.fr

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PARTENAIRES

Module thermoélectrique réalisé dans le cadre du projet

Image HRTEM de la structure d’une phase ordonnée ZnO-Ga2O3

PARCOURS E


TDD-RACTurbine de détente diphasique pour les systèmes de réfrigération et d’air conditionnéProjet accompagné dans le cadre du Programme ADEME-TOTAL, 7e

Appel à Manifestation d’Intérêt Multi-thématiques de 2012.

Démarrage : 1 mars 2012 - Projet terminéDurée : 33 moisCoût total : 697 000 €Coordinateur : EReIEPartenaires : ARMINES

CONTEXTE

La substitution des vannes de détente par des turbines de détente pour améliorer l’efficacité énergétique des systèmes frigorifiques de climatisation et des pompes à chaleur est un vrai enjeu. Ce gain potentiel dépend des fluides de travail et surtout des écarts de températures entre source et puits. Il se situe dans tous les cas entre 8 et 35 % pour des turbines de détente ayant un rendement global de détente de 70 %. Ce gain doit être éva-lué à la fois en valeur relative et en valeur absolue. Le gain en valeur absolue est d’autant plus grand que la puissance frigori-fique ou calorifique l’est, d’où la cible du programme qui porte sur les grands groupes refroidisseurs d’eau ‘GRE’ (puissance cible de 500 kW à plusieurs MW froid) et les grands groupes frigorifiques de l’agro-alimentaire de 300 kW à plusieurs MW froid

OBJECTIFS

Le projet vise à réaliser un démonstrateur utilisant une turbine de détente diphasique et permettant de prouver le gain d’effica-cité énergétique apporté par la turbine de détente diphasique. L’innovation est de partir d’un prototype de laboratoire (TRL5) pour amener la technologie sur un groupe refroidisseur d’eau doté d’une telle turbine (TRL7).

DÉROULEMENT

Des travaux ont commencé dès 2010 chez ARMINES CES où des bancs d’essais de caractérisation de tuyères ont été déve-loppés.

Les travaux du CES ont permis de mesurer des rendements de détente, d’identifier les paramètres d’influence de construire des premiers prototypes de laboratoire d’une turbine Pelton et de plusieurs turbines HERO. L’état des connaissances est synthétisé dans une thèse confi-dentielle.

Les phases du projet :• Réalisation des tuyères et essais sur banc de qualification tuyères.• Conception et réalisation de deux turbines génératrices inté-grant les contraintes d’usage : turbine à réaction Héro, turbine à action : Turgo.• Essais sur banc en laboratoire des deux turbo-génératrices ;Réalisation de deux turbines pour essais et préparation des essais sur groupe de refroidissement d’eau (GRE) et système frigorifique basse température.• Essais sur GRE fonctionnant au R-134a sur banc d’essais.• Calcul des coûts d’investissement et des gains énergétiques. • • Calcul des TRI et évaluation des marchés potentiels.

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Estimation des gains énergétiques : Le gain est double car il comprend un gain de puissance frigorifique et un gain de pro-duction d’électricité :• Pour un même débit vapeur comprimé par le compresseur, la puissance frigorifique est supérieure selon le fluide de travail et selon l’écart de températures source / puits, ce gain en débit évaporé se situe entre 3 et 15 %.• La turbogénératrice produit de l’électricité dont la puissance est directement proportionnelle au débit de fluide frigorigène circulant.• Le COP avec la turbine diphasique est supérieur à celui avec un détendeur.• Pour les GRE fonctionnant en France et pour les cycles de référence (condensation à +35 °C et évaporation à +2 °C), le gain pour une turbine dont le rendement est de 70 % est de l’ordre de 8 % avec le R-134a. • Pour des climats chauds où la température de condensation varie entre 50 et 60 °C, les gains sont respectivement de 15 et de 20 %, toujours pour le R-134a. Ces chiffres doivent être mis en rapport avec les puissances installées qui représentent des GW électriques. Ce projet éva-luera le parc des GRE et des machines de grandes puissances en France.Estimation des gains économiques : les gains économiques sont proportionnels au temps de fonctionnement des GRE pour des conditions de température élevée, un gain énergétique moyen de 11 % est à attendre, équivalent donc à une réduction de la facture d’électricité proportionnellement. De plus et sur-tout, la mise en place d’une telle turbine sur des équipements existants permet de gagner en puissance pour les moments les plus critiques et donc peut limiter l’investissement sur de nou-veaux groupes refroidisseurs d’eau.Sécurité et environnement : ces turbines sont tout à fait adap-tables aux nouveaux fluides à très faible GWP.Difficultés rencontrées : Mise au point des éléments mécaniques et de la lubrification.


Secteurs d’applications : • Le secteur des grands groupes refroidisseurs d’eau qu’on retrouve aussi bien en climatisation de grande puissance que dans des procédés industriels requérant de l’eau glacée.• Les turbines de détente diphasique sont applicables dans d’autres secteurs : liquéfaction du méthane, liquéfaction des gaz de l’air avec des machines de forts débits.• Des applications nouvelles comme les cycles Rankine orga-niques où c’est un liquide saturant qui est détendu en mélange liquide–vapeur.

Marché : Le premier marché visé est celui des grands groupes refroidis-seurs d’eau. Il comprend deux familles : les compresseurs cen-trifuges et les compresseurs volumétriques : • Le marché annuel mondial des groupes centrifuges est de l’ordre de 10 000 unités avec 80 % des ventes aux Etats-Unis et en Chine.• Le marché des GRE de puissances inférieures et fonctionnant avec des compresseurs volumétriques est de l’ordre de 200 000 unités par an, avec l’Europe représentant plus de 40 % de ce marché. Le seuil de puissance pour lequel la technologie des turbines de détente diphasique est intéressante se situe aux alentours de 300 kWfroid et constitue au moins 50 % du marché de ces GRE.

CARACTÈRE INNOVANT

• la conception des turbines diphasiques.• la réalisation des turbines utilisant des corps de compresseurs scroll.Les turbines de détente diphasique de technologie à action (Pelton) ou à réaction (Hero) sont des technologies de rupture.

CONTACTS

Email : [email protected] internet : www.ereie-sas.fr

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PARTENAIRES

Roue de turbine TurgoCompresseur Scroll converti en turbine

Héro

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PARCOURS E


TURBOSOL Récupération de Chaleur Fatale par Technologie TURBOSOL.Projet accompagné dans le cadre du Programme ADEME-TOTAL, 7e Appel à Manifestation d’Intérêt Multi-thématiques de 2012.

Démarrage : 1 octobre 2013Durée : 36 moisCoût total : 2 300 000 €Coordinateur : HEVATECHPartenaires : ENSAM, VALENCE ROMANS

CONTEXTE

La récupération et la valorisation de chaleur fatale constitue un des leviers permettant d’améliorer l’efficacité énergétique d’un site industriel. Or il existe aujourd’hui dans l’industrie un gise-ment important d’énergie thermique non utilisé. Cela s’explique notamment par un manque de technologies permettant de récupérer et de valoriser cette énergie perdue de façon perfor-mante et durable. Un des principaux enjeux se trouve dans le développement de technologies à haute performance énergétique et avec un coût du MWh électrique compatible avec les prix du marché, qui soient facilement opérables au sein des différents procédés industriels existants et à venir.

OBJECTIFS

Le projet vise à tester et valider à l’échelle et en conditions industrielles les qualités intrinsèques du TURBOSOL®, tech-nologie brevetée de conversion d’énergie thermique en énergie électrique possédant plusieurs atouts :Le cycle utilisé permet d’atteindre de très bons rendements théoriques.Les équipements constituant la technologie sont connus pour leur robustesse et leurs faibles besoins en maintenance (les capacités sont à pression atmosphérique).

La technologie peut permettre une approche modulaire et flexible de la récupération de chaleur, adaptable à de nombreux types de procédés industriels.

DÉROULEMENT

Le programme se divise en deux sous programmes menés en parallèle :Le sous-programme principal s’appuie d’abord sur la mise en place d’un module mono-injecteur testé chez HEVATECH puis sur transfert à plus forte puissance sur un site industriel (inci-nérateur de boues de STEP).Le sous-programme complémentaire vise à étudier la techno-logie à plus basses températures ou pour des plus fortes puis-sances (1MW).

CARACTÈRE INNOVANT

Convertisseur d’énergie thermique en énergie électrique met-tant en œuvre :un échangeur bi-fluide, bi-étagée, à faibles pertes de charge, tolérant à la poussière et résistant à la corrosion acide.un accélérateur modulaire diphasique optimisé par les travaux théoriques du CNRS.

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une turbine à action de type Pelton modélisé aux Arts & Métiers qui assure une première séparation dynamique des fluides liquides et gazeux.

CARACTÈRE INNOVANT

Convertisseur d’énergie thermique en énergie électrique met-tant en œuvre :un échangeur bi-fluide, bi-étagée, à faibles pertes de charge, tolérant à la poussière et résistant à la corrosion acide.un accélérateur modulaire diphasique optimisé par les travaux théoriques du CNRS.une turbine à action de type Pelton modélisé aux Arts & Métiers qui assure une première séparation dynamique des fluides liquides et gazeux.


En octobre 2015, une première phase s’est achevée avec suc-cès suite à la mise en place et l’expérimentation dans le hall d’essais d’HEVATECH du prototype mono-injecteur représen-tatif du module standard 100 kWe. Ces essais ont notamment montré que le module peut fonctionner dès 180°C.Une étude a été menée sur une machine mono-arbre d’1 MWe, comme convenu dans le projet, complétée par une seconde étude d’une machine modulaire de 2 x 350 kWe pour un site sidérurgique. L’étape suivante consistera à réaliser un premier prototype échelle 1 d’une puissance de 40 kWe sur le site d’in-cinération des boues de STEP de la ville de Romans.Estimation des gains énergétiques : Sur l’accélérateur, il a été obtenu un rendement optimisé de 80% du cycle de Carnot. Pour la première génération, il est ciblé un rendement net de l’ordre de 10% (production électrique - après soustraction des consommations électriques annexes : pompes, contrôle commande, aéro - par rapport à la récupéra-tion de chaleur perdue) pour une source de chaleur supérieure à 180°C.Estimation des gains économiques : Pour un module standard de 100 kW produit en série, HEVATECH vise l’objectif de 1 €/W, les coûts de maintenance étant évalués à moins de 5 000 €/an.Sécurité & Environnement : Le module TURBOSOL® a été pensé pour être un système fiable et robuste susceptible de fonctionner dans des environ-nements chauds (avec une source froide pouvant atteindre 100 °C). Il utilise des fluides non toxiques et donc sans impact sur l’environnement, ne nécessitant pas une classification ICPE de l’installation.Difficultés rencontrées : Un changement du site industriel d’accueil pour le pilote a entraîné un retard de quelques mois dans le déroulement du programme. Ce retard a été mis à profit pour optimiser les tra-

vaux de modélisation de l’accélérateur et d’expérimentation du module mono-injecteur.

Estimation des gains envisagés

Énergétique : La technologie TURBOSOL® permet de valoriser de la chaleur disponible à moyenne et haute température (températures supérieures à 180°C). L’objectif de l’expérimentation est de produire 235 MWh/an venant en réduction de la consommation électrique du site, la technologie TURBOSOL® permettant des cyclages sans limitation.


Secteurs d’applications : Valorisation des chaleurs des sites d’incinération de déchets ;Valorisation de chaleurs industrielles perdues ;Valorisation de chaleurs d’échappement issues des groupes électrogènes stationnaires ;Fourniture d’énergie à partir de solaire sur sites isolés.Marché : HEVATECH vise la standardisation d’un module 100 kWe pou-vant être conteneurisé. Sur cette base, HEVATECH pourra ultérieurement accéder à des puissances plus importantes par association de modules et mise en commun des utilités (1 MWe).

CONTACTS

Site web : www.hevatech.frContact : [email protected]

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PARTENAIRES

Vue du module TURBOSOLmono-injecteur Turbosol dansle hall d’essais

PARCOURS E


VALTAValorisation de la chaleur fatale par la technologie thermoacoustiqueProgramme ADEME-TOTAL, 8e AMI Multi-thématique de 2013.

Démarrage : 20 décembre 2013Durée : 31,5 moisCoût total : 732 000 €Coordinateur : HEKYOMPartenaires : EReIE, SDMO

CONTEXTE

Le projet VALTA s’inscrit dans la recherche de solution perfor-mante permettant la récupération de rejets thermiques et leur transformation en énergie noble. Son application est ici l’amé-lioration de l’efficacité énergétique globale d’un groupe électro-gène de puissance électrique moyenne de 140 kWe.

Le programme VALTA regroupe quatre partenaires :• SDMO, fabricant de groupe électrogène.• HEKYOM, concepteur de système thermoacoustique de conversion d’énergie.• EReIE, spécialiste des échangeurs de chaleur.• ASTER THERMOACOUSTICS, entreprise hollandaise spécia-liste en thermoacoustique.

Le système VALTA permet dans sa conception de valoriser le rejet thermique des gaz d’échappement du moteur à combus-tion interne utilisé pour la génération électrique. Il utilise la technologie thermoacoustique dont le principe est de créer une onde acoustique à partir d’un gradient de température, puis de produire de l’électricité à partir de cette onde acoustique. La technologie n’utilise pas de pièces mobiles ni de matériaux élaborés comme les semi-conducteurs. Le système VALTA est donc à priori meilleur que ses concurrents thermoélectriques ou ORC pour des puissances thermiques inférieures à 300 kWth.

OBJECTIFS

Le projet vise à réaliser un pilote à l’échelle industrielle et de prouver ainsi tout le potentiel de la technologie thermoacous-tique pour valoriser des rejets thermiques.

Le projet doit alors :• Prouver le concept d’une solution thermoacoustique permet-tant la valorisation de rejet thermique.• Permettre la mise en évidence des verrous technologiques éventuels pour les puissances thermiques utilisées soit près de 100KWth entre 495°C et 200°C.• Valider en situation réelle, c’est à dire par montage du pilote sur le groupe électrogène les efficacités énergétique pressen-ties.• Définir un équipement industriel intégrable en ‘plug in’ sur le groupe électrogène concerné.• Mettre en place le devenir industriel de la solution dévelop-pée.

DÉROULEMENT

Le projet VALTA s’est construit en deux grandes étapes :• Une première étape d’étude préparatoire, soutenue par le pro-gramme Ademe- Total et comprenant :-D’abord le dimensionnement thermique des éléments de cap-ture de l’énergie thermique et des éléments de transfert de

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cette énergie vers le convertisseur thermoacoustique ainsi que son absorption par le dit convertisseur.-Puis une première étude thermomécanique de conception mettant en exergue les verrous technologiques et leurs solu-tions. Un changement important de configuration acoustique a été décidée : alliant le concept de l’amplification série avec celui d’une configuration acoustique auto oscillante pour abou-tir au concept final du système VALTA. -Et enfin le dimensionnement thermoacoustique, thermoméca-nique et thermique qui a conduit à une proposition de seconde étape de création d’un pilote soumise puis retenue par le pro-gramme Ademe-Total.• La seconde étape de réalisation du pilote comprenant :- Un très gros travail technologique de près d’une année com-plète pour résoudre les problèmes thermomécaniques liés au couple hautes pression et température, et avancer vers des solutions industrielles dans le contexte réel des contraintes économiques des TPE impliquées dans le projet.- La mise en route du pilote.- La phase de tests et de validation


Le projet a subi plusieurs retards par rapport au planning initial :Les premiers choix technologiques ‘échangeur, boucle et fluide de transfert, liaison « échangeur – régénérateur’ ont conduit en retour de consultation d’une part à des coûts insupportables par le budget, d’autre part à des solutions non industrialisablesLes nouveaux échangeurs thermoacoustiques, plus écono-miques, sont arrivés tardivement et avec de nombreuses non-conformités. e qui a nécessité un débrasage complet de la machine puis leur re-fabrication. Le montage final est prévu en avril et les essais mi 2016. Le groupe électrogène pour le pilote a été disponible avec du retard.

SYNTHÈSE DES RÉSULTATS À CE STADE

L’étude préparatoire de conception a permis de très nombreux progrès dans la concrétisation du projet. Le schéma acoustique breveté par HEKYOM est utilisable pour des puissances limitées à 10 kWe. L’architecture utilisée maintenant permet d’aller vers des puissances nettement plus élevées. Les paramètres poids, volume et coût ont été pris en compte dans l’étude et sont en cours d’optimisation pour une version industrielle du pilote. Dans sa version actuelle, l’équipement qui va être installé sur un groupe électrogène gaz ne demandera aucun entretien et est entièrement automatique une fois la gestion de sa production électrique réalisée par l’utilisateur.Estimation des objectifs de gains énergétiques : 10%Gains économiques attendus en version industrielle : Prix d’ins-tallation inférieur à 2€/watt installé. ROI sur 2 ans1/2 en ver-sion actuelle non optimisée.

Sécurité & Environnement : Le système utilise des gaz neutres (hélium ou argon) comme agent actif et de produits accep-tables en environnement moteur pour les transferts de chaleur haute température.Difficultés rencontrées : Contraintes thermomécanique asso-ciant enceinte sous pression 40 bars non cylindrique et sous gradient de température élevé.


Le projet est réalisé pour un groupe électrogène disposant d’une puissance thermique gaz d’échappement supérieure ou égale à 100 kWth. Une étude est en cours pour adapter la conception à des puissances supérieures (250kWth, groupe de 600kWe) pour des températures de rejet thermique supérieures à 250°C et pouvant atteindre 450°C.

Valorisation en cours d’étude avec le fabricant SDMO.

CARACTÈRE INNOVANT

Procédé thermoacoustique générateur d’électricité permettant la valorisation de rejet thermique.

CONTACTS

Email : [email protected] internet : www.hekyom.com

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PARTENAIRES

Schémas d’implantation du système sur la ligne d’échappement d’un groupe électrogène

PARCOURS E


WATT CHV 2Pilote d’un compresseur hydraulique de vapeur

Programme ADEME-TOTAL, 8e AMI Multi-thématique de 2013.

Démarrage : Avril 2014 - Projet terminéDurée : 10 moisCoût total : 74 000 €Coordinateur : WATT INGENIERIEPartenaires : WEYLCHEM

CONTEXTE

L’essentiel des rejets énergétiques provenant des équipe-ments et des procédés industriels sont sous forme de chaleur (fumées, échauffement à la compression, eau de lavage ou de refroidissement, etc). Ces pertes existent car la chaleur n’a pas a priori d’utilisation sur le site ; c’est pour cette raison qu’elles sont souvent qualifiées de chaleur fatale.

La vapeur de revaporisation se crée lorsqu’on détend un condensat saturé en température. Très souvent, cette vapeur est perdue car sa pression (et donc sa température) est trop basse pour la valoriser.

OBJECTIFS

Le Compresseur Hydraulique de Vapeur (C.H.V.) permet de recomprimer cette vapeur basse pression jusqu’à une pression suffisante pour être valorisée. En ultime recours, la vapeur peut être refoulée sur le réseau de vapeur usine.

Le projet vise à :• Vérifier qu’il est possible de comprimer de la vapeur saturée avec un fluide thermique chaud.• Vérifier quel taux de compression maximum peut être atteint (vérifier notamment qu’il est possible de refouler la vapeur à 7

bareff, soit 170°C saturé).• Vérifier la robustesse et la précision de l’installation ;• Vérifier les performances du système.

DÉROULEMENT

L’installation pilote a été reçue par l’usine WEYLCHEM de Trosly-Breuil dans l’Oise. Disposant de déperditions de vapeur de revaporisation importantes sur son site, WEYLCHEM a décidé d’accompagner WATT Ingénierie et de fournir à l’installation pilote un local et toutes les utilités nécessaires au bon dérou-lement des essais.

Les phases du projet (pour les adaptations 2014) :• Étude de conception détaillée.• Rédaction des cahiers des charges.• Consultation et choix des équipements et des entreprises sous-traitantes (tuyauterie-chaudronnerie, électricité, automa-tisme).• Réalisation du complément de pilote en atelier sous forme d’un second skid facilement transportable.• Montage sur site WEYLCHEM & validation de l’installation par le service sécurité.• Tests du skid avec de la vapeur.

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Gains énergétiques : L’installation pilote a permis d’atteindre les performances sui-vantes :• Pression de vapeur au refoulement = 7.5 bareff• Température saturée de la vapeur refoulée = 173°C (avec une vapeur aspirée à 1 bareff / 120°C) - COP = 2.3 kWth/kWe

Le COP obtenu est inférieur aux prévisions pour des raisons identifiées et corrigibles. Les performances prévues pour une installation de 250 kg/h sont présentées dans le tableau sui-vant :

Installation classique(production de vapeur au GN) Installation avec CHV Gain

Énergie finale 1 712 MWhpci 160 MWhelec 1 552 MW Énergie UtileCoût énergétique annuel

k€HT/an 57.1 9.6 47.5

Estimation des gains économiques :L’objectif de WATT Ingénierie est de rendre une installation de 250 kg/h rentable en moins de 4 ans et une installation de 1 000 kg/h rentable en moins de 3 ans.

Sécurité & Environnement :La C.H.V. permet d’atteindre des températures élevées sans atteindre des pressions excessives. A titre d’exemple, pour atteindre 173°C avec du R245fa, le fonctionnement serait sur-critique et la pression serait supérieure à 50 bareff ; avec de la vapeur d’eau, la pression n’est que de 7.5 bareff.Le débit moyen de vapeur fatale en France est estimé à près de 2 500 t/h. Cette énergie fatale représente un potentiel d’économie d’énergie proche de 1 400 TEP/an et un potentiel de réduction des émissions de CO2 de près de 3 millions de tonnes de CO2/an.

Difficultés rencontrées : Les principaux points bloquants concernent le mélange Eau/Huile et la formation d’émulsion lorsque les condensats « froids » tombent dans l’huile chaude. Il est nécessaire de dispo-ser d’une huile de compression plus chaude que la vapeur com-primée. Le calorifugeage doit donc être irréprochable de façon à limiter les besoins d’utiliser le réchauffeur électrique sur une installation qui reste volumineuse. Il faut trouver le juste ratio entre une installation volumineuse (avec des cycles longs où les temps d’inter-cycles sont peu influents) et une installation compacte (et des cycles de compression courts où les temps d’inter-cycles sont très influents).


Le C.H.V. peut être utilisé comme pompe à chaleur Ultra Haute Température lorsque la température de la source froide est supérieure ou égale à 100°C :• Vapeur fatale.• Récupération sur fumées de chaudières ou de fours.Ces types de déperditions sont très courantes dans les secteurs suivants :• Chimie / Pétrochimie / Raffinage.• Agro-alimentaire.Le C.H.V. peut être fabriqué facilement en tailles standards sous forme de skid.

CARACTÈRE INNOVANT

• Permet de comprimer de la vapeur d’eau saturée avec des taux de compression élevés.• Permet de rehausser fortement la température d’une énergie déjà chaude.• En d’autres termes, le C.H.V. est le cœur d’une pompe à cha-leur Ultra Haute Température pouvant dépasser les 170°C.


PARTENAIRES

Pilote de C.H.V. installé chez WEYLCHEM

Schéma de principe


CONTACTS

Email : [email protected] internet : www.watt-ingenierie.com

Documents

PARCOURS E - ademe.fr · Tubes à structures améliorés pour la réfrigération de gaz ou de liquide ou pour la condensation ... Couplage du séchage du papier à la vapeur d’eau