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Mardi 31 Mars
Optimisation énergétique globale des sites industriels : opportunités de valorisation des énergies fatales
Jean JOUET, CMI – CMI Industry Patrick DUBOIS, 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
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CMI Energy Efficiency
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§ 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
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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%
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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
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Quelles industries concernées
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§ 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 7 31/03/15
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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 § …
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Place de la valorisation des chaleur fatales
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§ La valorisation de la chaleur fatale est un gisement : § Très significatif § Et largement sous-exploité !
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Méthodologie Générale
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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
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VALORISATION DE CHALEUR HORS
PÉRIMÈTRE USINE
OPTIMISATION DES ÉQUIPEMENTS
VALORISATION DE CHALEUR DANS LE PÉRIMETRE USINE
Niveau d’engagement
Complexité
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BONNES PRATIQUES
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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
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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.
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Illustration sur quelques exemples
§ Exemple typique de déperdition significatives : ouvertures de porte sur enceintes haute température
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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
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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
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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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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 18
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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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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 !
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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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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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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
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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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Exemple d’intégration énergétique
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Feed1 20°C
Feed2 80°C H
H
145°C
135°C
Rea
ctor
2
Rea
ctor
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 énergé;que Pincement
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Exemple d’intégration énergétique
§ Etablissement des courbes composite
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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
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Exemple d’intégration énergétique
§ Aucun échange au départ
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Flux chauds
T (°C)
Q (kW)
Flux froids
Besoins chauds externes
Besoins froids
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Exemple d’intégration énergétique
§ Solution théorique : Minimum d’énergie requis
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T (°C)
Q (kW)
ΔTmin 2
MER Hot
MER Cold
Internal heat exchanges
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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
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Exemple d’intégration énergétique
§ Choix final en fonction de la balance § Taille d’échangeur § Coût des utilités de chauffage
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€
ΔTmin
Good compromise
ΔTmin 2 ΔTmin 1
Utility requirement
Investment costs
Total
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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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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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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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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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Illustration – Cycle Rankine classique
§ Evaporateur-Surchauffeur récupérant l’énergie de fumées chaudes de four sidérurgique
§ Turbine de 3MWe § Génération de 14GWhe / an
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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
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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
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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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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
CMIRIVA
Electricité (transformateur,
…)
Vase d’esxpansion
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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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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.
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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.
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