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Projet CERES-2 Chemins Energétiques pour la Récupération d’Energie dans les Sys

Projet CERES-2 Chemins Energétiques pour la Récupération d’Energie dans les Systèmes industriels Journée SFT – 22 nov. 2013 Fabien THIBAULT EDF R&D – CES Mines Paristech Contexte et Enjeux Scientifiques La méthode du Pincement : Collecte des flux thermiques Contexte et Enjeux Scientifiques La méthode du Pincement : Tracé des Courbes Composites Courbes Composites chaude et froide (CC) Grande Courbe Composite ( GCC) Q (kW) T (°C) Q (kW) T (°C) Contexte et Enjeux Scientifiques La méthode du Pincement : Tracé des Courbes Composites Courbes Composites chaude et froide (CC) Grande Courbe Composite ( GCC) Q (kW) T (°C) Q (kW) T (°C) MER MERCold Zone d’échanges directs MERCold MER Contexte et Enjeux Scientifiques La méthode du Pincement : Conception du Réseau d’Échangeurs de Chaleur La construction du réseau d’échangeurs est un problème d’optimisation économique sous contraintes technologiques La solution doit répondre intégralement aux besoins de chaud et de froid du procédé à l’aide d’utilités, tout en maximisant la récupération interne d’énergie entre les flux procédés avec un minimum d’échangeur. Les technologies d’échanges pouvant varier selon les procédés, des interdictions d’échanges peuvent être précisés en amont du calcul, en définissant plusieurs technologies d’échangeurs et les coûts associés L’objectif est de réduire le coût total de l’ensemble échangeurs – utilités. Contexte et Enjeux Scientifiques La méthode du Pincement : Conception du Réseau d’Échangeurs de Chaleur Hot utility Cold utility Réseau d’échangeurs de chaleur avec 2 utilités Contexte et Enjeux Scientifiques La méthode du Pincement : Conception du Réseau d’Échangeurs de Chaleur Le Réseau d’échangeurs de chaleur est le résultat final. Il donne : - Les utilités les plus économes pour satisfaire les besoins - Les couples de flux qui échangent entre eux - Les caractéristiques des échangeurs : puissance, surface, températures - Le coût total Contexte et Enjeux Scientifiques La méthode du Pincement : Les développements proposés Présélection automatique des utilités Hot and cold composites curves Grand Composite Curve (GCC) Hot utility Cold utility HEN avec Technologies d’Échangeurs Présélection des utilités Méthodologie : Inventaire des technologies 5 utilités thermodynamiques sont testées par l’algorithme : - Les ThermoFrigoPompes (TFP), pour des échanges intra-procédés ; - Les pompes à chaleur utilitaires, ayant une source externe ; - Les groupes froids, ayant un puits externe ; - Les Cycles de Rankine Organique (ORC), pour la production d’électricité ; - Les unités de cogénération (CHP), pour l’électricité et l’apport de chaleur ; Les spécificités propres à chaque utilité induisent différentes contraintes de positionnement Présélection des utilités Méthodologie : Inventaire des technologies Zone « vierge » Pas de Cycle de Rankine Prise en compte d’une température ambiante Introduction de la température de flamme Présélection des utilités Méthodologie : Poches auto-suffisantes 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -400 0 400 800 1200 1600 Temperature (°C) Heat Load (kW) Evaporator dHL Evaporator dHL 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -400 0 400 800 1200 1600 Temperature (°C) Heat Load (kW) dHL Présélection des utilités Méthodologie : Poches auto-suffisantes 0 50 100 150 200 250 300 350 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Temperature (°C) Heat Load (W) Main Pinch Point Potential Pinch Point 4 Areas Potential Pinch Point Self-sufficient Pockets Présélection des utilités Méthodologie : Poches auto-suffisantes Utilisation de l’exergie Qu’est ce que l’exergie ? Définition : L’exergie est la quantité maximale de travail récupérable d’une source. Pour une énergie thermique, on utilise le facteur de Carnot pour effectuer la conversion en exergie. Ainsi, l’exergie d’une énergie E à la température T est : L’exergie d’une source croit au fur et à mesure que sa température s’écarte de l’équilibre : E Ex c   0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 0 200 400 600 800 1000 E x e r g i e ( W ) Température (°C) Évolution de l’exergie d’une source de chaleur en fonction de sa température T Text c  1  avec Utilisation de l’exergie Un objectif : minimiser la destruction d’exergie La fonction objectif est la somme de 3 termes : - L’exergie nécessaire pour assurer les besoins de chaud résiduels (MER) à une température de flamme Tf (hypothèse défavorable); - L’exergie nécessaire pour assurer les besoins de froid résiduels(MERCold) à partir d’un groupe froid (hypothèse défavorable); - L’exergie correspondant à l’électricité consommée par les Pompes à Chaleur et les Groupes Froids et celle produite par les cycles de Rankine Organiques et les unités de cogénération Le pré-dimensionnement des utilités vise à réduire les besoins en chaud et en froid moyennant un coût exergétique réduit. Présélection des utilités Résultats : Procédé agro-alimentaire (2 PAC) Les pompes à chaleur sont adaptées aux changements de phase Faible COP pour la pompe à chaleur fonctionnant entre -2 et 76 °C T (°C) Q (kW) MER Présélection des utilités Résultats : Procédé agro-alimentaire (3 PAC) Utilisation de la poche auto-suffisante pour booster la PAC 1 : 55/75°C Combien de pompes à chaleur pour atteindre l’optimum ? T (°C) Q (kW) MER Présélection des utilités Résultats : Procédé agro-alimentaire (2 PAC + Cogé) Suppression de la PAC à faible COP, remplacée par une cogénération Besoins de chaud OK, mais besoins de froid résiduels T (°C) Q (kW) Présélection des utilités Résultats : Procédé agro-alimentaire (2 PAC + Cogé) 2 PAC 3 PAC 2 PAC + Cogé Exergie (kW) 645 563 544 Dont conso Élec (kW) 362 255 -469 (production) COP des PAC 2.6 9.3 2.6 4.9 9.3 4.9 9.3 Récapitulatif des résultats Les pompes à chaleur constituent une solution de référence du fait de leur utilisation en ThermoFrigoPompe Le couplage de ces TFP avec d’autres utilités pour compléter les besoins et/ou produire de l’électricité modifie leurs caractéristiques Présélection des utilités Conclusions et Perspectives Le module de préselection vise à faciliter le positionnement et le dimensionnement de divers types d’utilités Les solutions proposées sont les plus efficaces énergétiquement pour les combinaisons d’utilités demandées L’aspect économique des utilités est pris en compte à l’étape suivante : la conception du réseau d’échangeurs de chaleur Merci de votre attention uploads/Finance/ 2-methodologie-ces.pdf