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La méthode du pincement : incontournable pour l'optimisation énergétique 1. Réc

La méthode du pincement : incontournable pour l'optimisation énergétique 1. Récupération de chaleur dans l'industrie La récupération de chaleur (RC) est une technique couramment appliquée dans l'industrie pour la maîtrise de l'énergie et la réduction des coûts. En simplifiant, il est possible de distinguer deux approches d'analyse, de conception, et d'optimisation des systèmes de RC:  approche traditionnelle, empirique,  démarche systématique, à l'aide de la méthode du pincement (Pinch Analysis). Considérant les enjeux énergétiques et de compétitivité pour l'industrie, il importe de cibler et de concrétiser le plein potentiel de la RC par une démarche systématique. L'atelier a pour but, d'une part de présenter les principes et outils de base de la méthode du pincement, et d'autre part de permettre aux participants de "s'approprier" cette démarche et d'en mesurer l'intérêt par l'analyse d'un cas concret. Mais les outils, les problématiques à traiter, et les domaines d'application de la méthode du pincement sont nettement plus larges (par ex. sélection et optimisation des utilités, intégration énergétique de sites complets, procédés discontinus / par charge, boucle de RC et stockage de chaleur, etc.). Consulter les références mentionnées à la fin de ce résumé. 1.1. Approche traditionnelle L'approche traditionnelle de la RC est empirique, recourt au bon sens, mais sans systématique. La RC est généralement introduite au gré des opportunités offertes par les projets, et de manière "locale", entre flux proches choisis "au feeling". La conception, et le cas échéant l'amélioration progressive, s'effectuent par "tâtonnement", sans connaitre la valeur cible maximale atteignable, sans vision globale. L'absence de véritable optimisation économique peut conduire aux inconvénients suivants:  RC en deçà du potentiel réel,  coûts totaux annuels (associés aux prestations énergétiques) inutilement élevés. 1.2. Démarche systématique: méthode du pincement La méthode du pincement est une méthode d'analyse, de conception et d’optimisation énergétique de procédés thermiques, éprouvée dans l'industrie depuis plus de 30 ans. Originellement appliquée principalement pour les grandes industries intensives en énergie, son utilisation se "démocratise" notamment en direction des PMEs/PMIs, pour l'analyse et l'optimisation des procédés discontinus / par charge, et pour l'intégration des ENR (par ex. solaire thermique) dans les procédés industriels. 1.2.1. Avantages décisifs de la méthode du pincement  Optimisation globale et systématique de la récupération de chaleur, pas de "tâtonnements"  Exploitation optimale des synergies entre flux d’énergie  Diagnostic, analyse, optimisation de procédés thermiques  Identification rapide des variantes prometteuses de conversion d’énergie  Optimisation des investissements en efficacité énergétique  Retour d'expérience: 10 à 35% d’économies d’énergie avec payback 1 à 4 ans  Systématique, flexible, applicable à multi-échelles  Procédés continus et par charge, y compris avec stockage de chaleur  Représentations graphiques éloquentes et efficaces pour l'analyse et la conception  Compréhension de l’énergétique des procédés et des causes limitant la RC, point de départ vers des modifications de procédé, voire facilitant l'émergence de technologies innovantes 1.2.2. Critères de pertinence d'utilisation de la méthode du pincement Le recours à la méthode du pincement est pertinent dans les conditions suivantes:  Industrie intensive en énergie ou PMI/PME avec besoins thermiques / rejets de chaleur diversifiés (indicateurs: nombre de flux, plage de température, …)  Besoins thermiques principalement pour les procédés, pas (seulement) pour les bâtiments  Coûts annuels des besoins thermiques (valeurs indicatives): o ≥ 100’000 EUR (cas de planification de nouvelles installations) o ≥ 200’000 EUR (cas d'optimisation de procédés existants)  ces valeurs seuils diminuent si peu ou pas de RC  ces valeurs seuils augmentent si la RC est déjà «bien appliquée» 1.2.3. Quelles données sont nécessaires ? La quantification des besoins de chauffage (= flux ou courants froids) et de refroidissement (= flux ou courants chauds) requiert la connaissance: 1) des débit-masses (ou quantités); 2) des températures d'entrée et des températures cibles imposées par le procédé; 3) de la chaleur spécifique des fluides (ou enthalpies de changement de phase, le cas échéant); 4) des séquences / programme temporel du procédé; 5) des données estimatives des coefficients de transfert par convection; 6) des caractéristiques des équipements de transfert de chaleur existants, le cas échéant. La recherche / collecte / réconciliation de ces données nécessitent une collaboration étroite avec les responsables des procédés et des opérateurs, sur la base de schémas T&I (P&ID), écrans de supervision, schémas des utilités, mesures et données de consommation d'énergie, statistiques de production. 2. Principes de base de la méthode du pincement Les étapes et idées-forces sont illustrées par l'optimisation d'un "procédé annexe" (simplifié) rencontré dans l'industrie métallurgique: un système de refroidissement (Figure 1). Revenir aux besoins de transfert de chaleur du système, en faisant abstraction de la solution existante de fourniture de chaleur et de froid au procédé, constitue la 1ère idée-force de la méthode du pincement. Cette étape d'extraction du "cahier des charges" du système (liste de flux) est cruciale pour le succès de la démarche. Triviale en apparence, elle demande une certaine expertise, guidée par le respect d'une dizaine de règles. Figure 1: Système existant de refroidissement (RC conçue empiriquement), avec repérage des flux La 2ème idée-force consiste à représenter et à cumuler, dans un diagramme Température-Enthalpie, les besoins de chauffage (composite froide) et de refroidissement (composite chaude) (Figure 2). Figure 2: Flux (besoins de transfert), courbes composites, et pincement Tmin pour coûts totaux annuels min. Refroidissement du four de fusion Refroidissement du compresseur d’air Chauffage des bâtiments Production d’eau chaude 65°C 40°C 55°C 252 kW 168 kW 399 kW 45°C 55°C 13.5 kg/s 4 kg/s 65°C 40°C 50°C 33.6 kW 50.4 kW 0.8 kg/s 138.6 kW 15°C 60°C 1.0 kg/s 48°C 27°C Utilité chaude Utilité froide Récupération de chaleur Flux froid (besoin de chauffage) Flux chaud (besoin de refroidissement) Le cumul de la puissance des flux dans les différents intervalles de température fournit une vision globale des besoins du système analysé, "par delà" les flux individuels. Les courbes composites combinent le 1er principe (énergie) et le 2ème principe (gradient de température positif pour permettre un transfert de chaleur) de la thermodynamique, particularisés au problème de la RC. La 3ème idée-force est le ciblage, énergétique et économique, de la RC sur la seule base du "modèle global" des courbes composites, avant toute conception d'un système de RC concret. Des méthodes de calcul des valeurs cibles (RC maximale, surface minimale de transfert et nombre minimal d'échangeurs, coûts d'énergie et des échangeurs) permettent de déterminer le compromis optimal entre coûts d'énergie et coûts d'investissement, résultant en la différence minimale de transfert (pincement Tmin opt) et la température de pincement. Observant le rôle central de ces dernières pour la RC, la 4ème idée-force est la formalisation de 3 règles d'or pour atteindre la RC maximale possible:  Ne pas transférer la chaleur «à travers le pincement»  Ne pas refroidir des flux chauds au-dessus de Tpincement avec de l’utilité froide  Ne pas chauffer des flux froids au-dessous de Tpincement avec de l’utilité chaude Ces règles permettent notamment le diagnostic de tout système RC, ainsi que la conception "systématique" de réseaux d'échangeurs de chaleur à RC maximale (Pinch Design Method). Figure 3: Système de refroidissement après optimisation de la RC à l'aide de la méthode du pincement  Pas de transfert à travers le pincement (Tpincement = 48 °C)  Optimisation: utilité chaude 35 %; utilité froide 66 %  Récup. chaleur 87 %; coûts exploit. 48 %; payback 1,35 ans Refroidissement du four de fusion Refroidissement du compresseur d’air Chauffage des bâtiments Production d’eau chaude 65°C 51°C 284.8 kW 45°C 55°C 13.5 kg/s 4.8 kg/s 65°C 40°C 50°C 95.8 kW 63 kW 15°C 60°C 1.0 kg/s 50°C 45°C 40°C 282.2 kW 126 kW 3. Projet d'optimisation d'une ligne de séchage Cet exemple concret, simplifié et limité à l'optimisation d'une nouvelle ligne de séchage, fait partie d'un projet plus global d'assainissement et d'extension de la production d'un site industriel du secteur agro-alimentaire, devisé à 45 millions EUR d'investissements. Figure 4: Diagramme d'écoulement avec concept de RC proposé initialement, et définition des flux froids et chauds L'analyse, à l'aide de la méthode du pincement, de la ligne de séchage et de ses procédés annexes permet notamment de quantifier les bénéfices énergétique et économique de transférer de la chaleur entre les procédés. Connaissant ces bénéfices et considérant le layout prévu pour la nouvelle ligne, l'ingénieur est en mesure de décider quelle(s) variante(s) (optimisation globale ou séparée des procédés) "mérite(nt)" d'être retenue(s) pour la suite de l'analyse. Dans le cas présent, le bénéfice de la RC optimisée globalement est de 4,8 GWh/an par rapport à l'optimisation locale (séparée) des procédés, et de 10 GWh/an par rapport au concept initial proposé. La température de pincement du système global étant connue (74 °C+/-10 K), le diagnostic du concept initial montre qu'il ne respecte pas les 3 règles d'or en 8 points (pertes de 1 996 kW de RC). La méthode systématique de conception du réseau d'échangeurs (division des flux à la température de pincement, etc.), avec la prise en compte des contraintes pratiques, permet de concrétiser dans ce cas jusqu'à 99,5 % du potentiel identifié durant la phase de ciblage (targeting) avec les uploads/Ingenierie_Lourd/ methode-pincement-optimisation-energie.pdf