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Mardi 17 Mars
Optimisation énergétique globale des sites industriels : opportunités de valorisation des énergies fatales Jean JOUET, CMI – CMI Industry Ludovic FERRAND, CMI Industry
Avec le soutien de :
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Optimisation énergétique
Globale des sites industriels
Opportunités de valorisation des
énergies fatales Ludovic FERRAND, CMI Industry Energy Efficiency
Jean JOUET, Président CMI Industry
17/03/15 1
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CMI Energy Efficiency
17/03/15 2
Une équipe d’experts pour l’Industrie:
en process thermiques,
Chauffage haute & basse température
Froid positif & négatif,
en valorisation de chaleur fatale,
en utilités.
Audits, Conception, Réalisation
Simulations & Mesures
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Quel rôle pour l’efficacité énergétique ?
L’Efficacité Energétique a et aura un rôle Majeur : dans le défi de l’effet de
serre
pour contrer la volatilité du coût des énergies
pour améliorer la compétitivité des industries pénalisées par leur coût énergie
17/03/15 3
Source : WEO 2014
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Cadre Européen sur le Climat-Energie
Plan Climat-Energie Européen 2008 : Fixe les objectifs 2020
20 % d’énergie renouvelable
20 % d’économie d’énergie
20 % de réduction des GES
Révision en octobre 2014 : de nouveaux objectifs pour 2030
Energies renouvelables : 20 % => +27 %
Efficacité énergétique : 20 % => +27 %
Réduction des émissions de GES : 20% => +40%
17/03/15 4
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Vue d’ensemble des gisements d’efficacité
énergétique
Dans l’Industrie, une meilleure utilisation de l’énergie
primaire reste un enjeux énorme
17/03/15 5
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Quelles industries concernées
17/03/15 6
Les transformateurs
de matière première
sont logiquement
en première ligne
pour la valorisation
de chaleur perdue
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Diversité des équipements thermiques
Les niveaux de température sont très divers
Les gisements de chaleur non valorisée concernent tout le spectre
17/03/15 7
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Définition de la Chaleur ou Energie Fatale
Regroupe toutes les productions de
chaleur dérivées d’un site industriel,
qui n’en constitue pas l’objet premier
De fait, elle n’est pas forcément
récupérée pour valorisation
Fumées chaudes en cheminées
Eaux de refroidissement
Solides chauds en sortie de process
…
17/03/15 8
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Place de la valorisation des chaleur fatales
17/03/15 9
La valorisation de la chaleur fatale est un gisement : Très significatif
Et largement sous-exploité !
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Méthodologie Générale
17/03/15 10
Groupe de process thermiques
et ses utilités
Bonnes Pratiques
Chasse au Gaspi Actions d’Optimisation
Revalorisation des
énergies fatales dans le
périmètre usine
Revalorisation des
énergies fatales hors
périmètre usine
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Matrice de décision associée
17/03/15 11
VALORISATION DE CHALEUR HORS
PÉRIMÈTRE USINE
OPTIMISATION DES ÉQUIPEMENTS
VALORISATION DE CHALEUR DANS LE PÉRIMETRE USINE
Niveau d’engagement
Complexité
2
3
4
BONNES PRATIQUES
1
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Bonnes pratiques et chasse au gaspillage
énergétique
Les trouvailles de gisements sont systématiques, parfois très importants
La « conscience énergétique » fait son chemin, et est portée par plusieurs facteurs : La diffusion de la norme ISO50001
Les audits énergétiques règlementaires, norme EN16247
L’implication du management dans les actions d’efficacité énergétique, et sa mise en place dans l’organisation
17/03/15 12
1
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Bonnes pratiques et chasse au gaspillage
énergétique
Les freins à la mise en place sont liés
principalement aux organisations :
Focalisation sur le cœur de métier, la Qualité avant tout!
Tendance à optimiser les coûts de maintenance à court
terme, au détriment des gains moyens et long terme
Difficulté à verrouiller et pérenniser les gains sur le long
terme, le maintien des bonnes pratiques est une lutte de
tous les jours.
17/03/15 13
1
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Illustration sur quelques exemples
Exemple typique de déperdition significatives : ouvertures de porte sur enceintes haute température
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1
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Illustration sur quelques exemples
Exemple de chasse au fuites air comprimé
dans une moyenne industrie
Fuites mesurées lors d’une fermeture site un
dimanche : 1290 MWh/ an, soit 45% de la
consommation totale d’air comprimé !
20% sont facilement éliminables, actions de
réparation maintenance
Un investissement faible pour des
gains immédiats
17/03/15 15
1
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Optimisation énergétique des process
Le process thermique est souvent un élément important de la qualité des produits manufacturés
Sa consommation d’énergie peut typiquement être optimisées, mais jamais au détriment de la qualité
Un bon niveau d’expertise est donc requis pour « toucher » au process en vue de réduire ses déperditions
Objectif : conserver le maximum d’énergie primaire en Energie Utile, et donc minimiser la chaleur fatale
17/03/15 16
2
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Quels outils pour l’optimisation des process
Depuis 1997, l’Europe organise l’échange d’information
via des rapports en libre accès
Objectif : promouvoir la diffusion des Meilleures
Techniques Disponibles dans l’Industrie
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2
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Exemple : contrôle avancé du process
Le contrôle avancé consiste à : donner le juste nécessaire
d’énergie
Tout en préservant les objectifs qualité
Basé sur des modèles physiques
Typiquement 10 à 20% d’économie d’énergie
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2
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Exemple : optimisation d’échangeur interne
process
L’expertise des conditions de
fonctionnement permet de
transformer l’énergie fatale en
énergie utile
Simplement par redimensionnement
d’échangeur
Sur une installation de l’ordre de
50MW de consommation gaz, les
gains se comptent en Dizaines de
GWh valorisés par an.
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2
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Exemple : variation de vitesse sur moteur
Les machines tournantes ont une consommation
d’énergie importante, pour les hautes pressions /
hauts débits
Ordre de grandeur :
100.000 Nm3/h à 100mbar ≈ 450kWe !
17/03/15 20
2
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Exemple : variation de vitesse sur moteur
Implémenter une variation de vitesse des moteurs,
couplé à un contrôle optimisé, permet de ne pas
dissiper de l’énergie fatale
Retour d’expérience concret :
Avant opération : 4MWhe / jour
Après opération : 2.56MWhe/jour
Gain sur l’énergie fatale : 40%
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2
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La Valorisation de chaleur dans le périmètre
usine
Dans le cas idéal où les process sont optimisés, il
reste toujours de l’énergie fatale :
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3
Solides chauds Gaz chauds Liquides chauds
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Quelles voies de valorisation dans le
périmètre usine
La méthodologie d’Intégration Energétique adresse
précisément la vision de l’usine comme :
Des sources d’énergie disponibles
Des puits énergétique à satisfaire
Cette analyse permet d’inclure des contraintes :
Distances entre sources et puits
Eventuels déphasages temporels
Les courbes de coûts des échangeurs ou équipements
de conversion de chaleur
17/03/15 23
3
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Quelles voies de valorisation dans le
périmètre usine
Intégration Energétique : approche systématique :
Identification du MER : Minimum d’Energie Requis
Maximisation de la valorisation de chaleur fatale vers
les flux froids à chauffer
Amélioration de l’utilisation des utilités
La démarche peut inciter à « déconstruire » pour
mieux reconstruire les Chemins Energétiques
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3
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Exemple d’intégration énergétique
17/03/15 25
Feed1
20°C
Feed2
80°C H
H
145°C
135°C
Re
acto
r
2
Re
acto
r
1
170°C C 60°C
150°C C 30°C
260 kW
230 kW
330 kW
180 kW
Pour chaque Flux : Températures Débits Contenu énergétique Pincement
3
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Exemple d’intégration énergétique
Etablissement des courbes composite
17/03/15 26
Flux chaud=
Chaleur à
dissiper
T (°C)
Q (kW)
Flux froids = à
réchauffer
30 °C
60 °C
170 °C
0 kW 45 kW
150 °C Stream 2
Stream 2 +4
Stream 4
3
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Exemple d’intégration énergétique
Aucun échange au départ
17/03/15 27
Flux
chauds
T (°C)
Q (kW)
Flux froids
Besoins chauds externes
Besoins froids
3
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Exemple d’intégration énergétique
Solution théorique : Minimum d’énergie requis
17/03/15 28
T (°C)
Q (kW)
ΔTmin 2
MER Hot
MER Cold
Internal heat
exchanges
3
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Exemple d’intégration énergétique
Réseau d’échange techniquement réalisable
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60 °C 170 °C
150 °C 30 °C
20 °C 135 °C
145 °C 80 °C
60 kW
20 kW
20 kW
C
H
H
Hot utility = MER = 40 kW
Cod utility = MER = 60 kW
Hot savings = Current - MER = 450 kW 92 % reduction
Cod savings = 450 kW 88 % reduction
3
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Exemple d’intégration énergétique
Choix final en fonction de la balance
Taille d’échangeur
Coût des utilités de chauffage
17/03/15 30
€
ΔTmin
Good
compromise
ΔTmin 2 ΔTmin 1
Utility requirement
Investment costs
Total
3
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Illustration : génération de vapeur sur
fumées
Les rejets de fumées de combustion entre 200 et 400°C peuvent être valorisés pour générer de la vapeur
Utilisation dans le réseau usine, au niveau de pression requis
Attention à l’impact sur le circuit fumées, nécessitant un tirage supplémentaire par ventilateur-extracteur
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Illustration : récupération de chaleur sur
TAR
Les Tours de refroidissement dissipent
l’énergie des eaux de refroidissement
process
L’intégration consiste à relever le niveau de
température de 20-30°C à 55-60°C
Par la mise en place d’une Pompe à Chaleur
Le nouveau flux à 55°C est valorisable :
Pour le chauffage des bâtiments
Pour du chauffage de bain de process
Pour diminuer la consommation d’une chaudière
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3
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Illustration : conversion sur solides chauds
Des pièces forgées à chauds subissent
un refroidissement contrôlé
La chaleur des pièces est récupérable
dans un tunnel de refroidissement
contrôlé, qui génère de l’air à 200°C
Cet air à 200°C est valorisé pour diminuer
la consommation d’un réseau vapeur
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3
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Valorisation de chaleur hors périmètre usine
Il y a souvent plus de chaleur disponible dans un
périmètre usine, que de besoins
La chaleur fatale en excès peut être convertie :
En électricité, via des machines thermodynamiques
En Eau Chaude Surchauffée 65°C ou 120°C
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4
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Conversion Thermique / Electrique
Les machines de type Rankine à vapeur d’eau sont
connues industriellement depuis longtemps
Bien adaptés pour les chaleurs disponibles à haute
température, et pour les puissances élevées,
typiquement supérieures à 3MWelec.
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4
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Illustration – Cycle Rankine classique
Evaporateur-Surchauffeur récupérant l’énergie de fumées chaudes de four sidérurgique
Turbine de 3MWe
Génération de 14GWhe / an
17/03/15 36
4
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Cycles Rankine Organique - ORC
Les ORC adoptent le même principe physique,
mais en utilisant un autre fluide, vaporisant à plus
basse température
Ces machines ont les avantages suivants:
Bien adaptées aux sources à T° moyenne, entre 150°C
et 300°C
Très peu de maintenance
Adaptées aux puissances électriques entre 100kWe et
2MWe
17/03/15 37
4
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Leviers / Freins au déploiement de la
conversion électrique
La conversion électrique à l’avantage de générer
une énergie de haute qualité, valorisable de façon
immédiate
La rentabilité reste le frein majeur
Les process intermittents pénalisent la rentabilité,
les machines ne produisant pas à bas régime
La maîtrise du process est importante pour une
intégration des machines réussie
17/03/15 38
4
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Valorisation vers des réseaux de chaleur
En 2015 en France, le Fonds Chaleur soutient une
nouvelle thématique :
Projets liés aux systèmes de captage de la chaleur
dans le cadre de la valorisation vers un réseau de
chaleur externe (réseaux avec un ou plusieurs
clients raccordés)
Cette tendance doit permettre de généraliser les
couplages entre industries et collectivités
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4
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Illustration : récupération de chaleur d’une
aciérie
Objectif : production d’eau à 120°C pour alimenter
un réseau de chaleur
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Circuit fumées refroidi eau
Arrivée eau 70 C
Sortie Eau 120 C
CMI
RIVA
CMIDalkia
Unité de traitement chimique
Groupe de relevage de
pression
Chambre de Post-Combustion Quench
RéservoirEconomiseur
Fumées /Eau
Cheminée
Cheminée
CMI
RIVA
Electricité (transformateur,
…)
Vase d’esxpansion
4
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Opportunités / freins pour cette valorisation
Les réseaux de chaleur urbains ne sont pas
toujours présents : problème d’acceptabilité de la
population, habitude du chauffage individuel…
Les sites industriels s’éloignent des centres
urbains, 1km de réseau à 120°C a un coût !
Mais les pouvoirs publics reconnaissent la
pertinence de la démarche, et peuvent soutenir les
investissements
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4
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Synthèse
Les technologies ne manquent pas pour réduire massivement les énergies fatales, et donc diminuer le recours aux énergies primaires.
Une méthodologie est nécessaire pour prioriser les actions, depuis les bonnes pratiques à la recherche de valorisation hors périmètre usine
La recherche de financement est ensuite au cœur des débats, car de nombreuses solutions présentent des rentabilités entre 3 et 5 ans
L’énergie n’est pas encore assez chère pour un engagement massif, d’autant que certaines industries bénéficient de tarifs indépendants du Marché.
L’effet conjoncturel (baril de pétrole) et l’évolution rapide de la législation n’aident pas à la prise de décision long-termiste.
17/03/15 42
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Perspectives
Le dispositif juridique en Europe facilite d’ores et déjà certains types d’action
Le marché du 1/3 investissement se développe peu à peu, il est déjà très mature dans d’autres régions du monde comme aux USA
Les technologies évoluent pour abaisser les coûts de la conversion de chaleur : échangeurs, machines thermodynamiques
Les acteurs de la R&D sont également très actifs sur ces sujets : ORC, stockage d’énergie, etc.
17/03/15 43
