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Introduction à l’intégration énergétique de procédés par l’Analyse Pinch Manuel

Introduction à l’intégration énergétique de procédés par l’Analyse Pinch Manuel pour l'analyse de procédés continus et de procédés batch 2ème édition 2017 2 Élaboré par Florian Brunner, Brunner Energieberatung GmbH Flüelastrasse 31A, CH-8047 Zürich, florian.brunner@br-energie.ch, www.br-energie.ch Dr. Pierre Krummenacher, HEIG-VD / IGT, www.pinch-analyse.ch Avenue des Sports 20, CH-1401 Yverdon-les-Bains, pierre.krummenacher@heig-vd.ch Accompagnement, rédaction du chapitre 4, graphiques Prof. Dr. Beat Wellig, Peter Liem, Donald Olsen, Hochschule Luzern – Technik & Architektur Technikumstrasse 21, CH-6048 Horw, beat.wellig@hslu.ch, www.pinch-analyse.ch Accompagnement Daniel Scharfegger, Damian Hodel, Raymond Morand, Helbling Beratung + Bauplanung AG Hohlstrasse 614, CH-8048 Zürich, daniel.scharfegger@helbling.ch, www.helbling.ch Traduction française Stéphanie Perret (Planair SA), Pierre Krummenacher & Gabriel Chauvet (HEIG-VD) Document élaboré sur mandat de l'Office fédéral de l'énergie, Section Industrie et Services Mühlestrasse 4, CH-3063 Ittigen Adresse postale: CH-3003 Bern Tél. +41 58 462 56 11, Fax +41 58 463 25 00 www.bfe.admin.ch Erich Bötsch, erich.boetsch@bfe.admin.ch Téléchargement : www.pinch-analyse.ch ou www.suisseenergie.ch 2ème édition janvier 2017 (version originale allemande / traduction française août 2017). Par rapport à la 1ère édition juillet 2015, la présente édition a été adaptée en fonction des derniers développements du logiciel PinCH 3.0 focalisés sur le stockage de chaleur: réécriture du chapitre 16 et ajout du chapitre 17. Le contenu et les conclusions du présent document n’engagent que ses auteurs. Avertissement concernant la traduction française L’Analyse Pinch, née et développée principalement dans les pays anglophones, s’est établie avec son vocabulaire anglais spécifique. Au lieu de recourir à des néologismes discutables, les termes anglais n'ayant pas d’équivalent français clair et reconnu sont repris tels quels dans la traduction française. Ces termes anglais sont écrits en caractères italiques. A noter que le style italique est aussi utilisé de ma- nière générale pour les termes en langue allemande, les citations, et les mises en évidence. Analyse Pinch ou Analyse Pincement ? Le terme de pincement (Analyse Pincement, Méthode du Pin- cement) est déjà largement utilisé en français. Cependant, par souci de clareté et d'unité, notamment pour communiquer et promouvoir la méthode au niveau national, l'équivalent français du terme Pinch- Analyse allemand est officiellement Analyse Pinch. Ce qui n'empêche pas d'utiliser le terme Pincement dans un contexte technique à l'attention des spécialistes et des praticiens par exemple. Convention : · l'Analyse Pinch (avec 1ère lettre majuscule) désigne la méthodologie en général (comprenant les représentations graphiques, les règles et heuristiques, les outils, etc.) ; · une analyse Pinch désigne une étude concrète d'optimisation énergétique d'un "objet" (procédé, site, etc.) selon la méthodologie de l'Analyse Pinch. 3 Préface Environ 20% de la consommation d’énergie en Suisse revient au secteur industriel, dont plus de la moi- tié est utilisée pour les besoins de chaleur des procédés. Cette proportion est significativement plus élevée dans de nombreuses entreprises industrielles, comme par ex. celles des secteurs de la chimie, de l’alimentaire ou du papier. Pour ces secteurs à forte intensité énergétique, la réduction des besoins en énergie et des émissions de CO2 revêt un intérêt majeur dans le contexte général d’augmentation des prix des énergies et les exigences écologiques. Les approches classiques d’optimisation énergétique se concentrent souvent sur l’amélioration de l’efficacité des équipements individuels, ou celle des infrastructures énergétiques. L’expérience montre pourtant que la combinaison optimale des flux thermiques du système global apporte le plus souvent un gain en efficacité énergétique supérieur à l’amélioration souvent coûteuse du rendement de composants ou d'équipements individuels. C’est ici que l’intégration énergétique des procédés entre en jeu, avec pour objectif l’optimisation des procédés du point de vue global. L’Analyse Pinch est elle-même un outil précieux de l’intégration énergétique. Dans le cadre imposé de la minimisation des coûts totaux an- nuels, l’Analyse Pinch permet de déterminer le concept d’installation optimal, d’optimiser la conversion et l’utilisation des énergies, et d’améliorer la rentabilité. Grâce à l’Analyse Pinch, les besoins énergé- tiques des procédés industriels peuvent typiquement être réduits de 10 à 40%. D’un point de vue éco- nomique, les temps de retour sur investissement des mesures d’amélioration sont particulièrement at- tractifs, le payback simple étant souvent de l’ordre de deux à trois ans. L’Offensive Pinch de l’Office Fédéral de l’Energie (OFEN) est une mesure de soutien pour accroître l’efficacité énergétique et réduire les émissions de CO2 dans l’industrie suisse. L’objectif de l’Offensive Pinch est d’identifier de manière systématique les potentiels insoupçonnés d’économies d’énergie ren- tables dans les entreprises de production et de les transformer en mesures concrètes. L’OFEN, dans le cadre de SuisseEnergie, soutient différentes activités du domaine de l’Analyse Pinch (www.suisseenergie.ch). L’outil d’ingénierie PinCH de la Hochschule Luzern est un élément important de l’Offensive Pinch. Cet outil logiciel permet de se familiariser rapidement avec la méthode et de réali- ser de manière ciblée et rentable des analyses Pinch dans l’industrie. Les centres d’appui en intégration énergétique de procédés et Analyse Pinch de la Hochschule Luzern et de la HEIG-VD à Yverdon-les- Bains offrent un soutien complet lors de la réalisation d’analyses Pinch ainsi que des cours, du coa- ching, des conseils et du support technique à l’utilisation de l’outil PinCH (www.pinch-analyse.ch). Ce manuel introduit la lectrice / le lecteur pas à pas à la méthodologie de l’Analyse Pinch et prépare à la mise en pratique par de nombreux exemples issus de l’industrie suisse. Le manuel Prozessintegration mit der Pinch-Methode a été publié une première fois en 1998, puis retravaillé en 2006 (les deux fois en allemand uniquement). Le manuel, en tant que matériel pédagogique en langue allemande, avait trouvé de nombreux utilisateurs, même au-delà des frontières. En lien avec l’Offensive Pinch en cours et le lancement du logiciel PinCH version 2.0, le manuel a été complètement revu en 2013-2014 et mis à niveau. Le manuel a en particulier été complété par les chapitres traitant de l’optimisation de procédés avec cas de fonctionnement multiples et de procédés batch. En complément à l’édition précédente du manuel, le support de cours Energie-Optimierung mit Pinch-Analyse [1] de la Hochschule Luzern (2014) a constitué une base importante pour le présent manuel, en particulier pour les chapitres 2 à 8. Ce manuel a été rédigé par des experts reconnus du domaine de l’Analyse Pinch : Florian Brunner (Brunner Energieberatung GmbH – Zürich) et Pierre Krummenacher (HEIG-VD – Yverdon-les-Bains). L’équipe de rédaction comprenait aussi des collaborateurs de la Hochschule Luzern et de Helbling Be- ratung + Bauplanung AG. Par le présent manuel, les auteurs transmettent leur savoir et leur expérience sur la méthode et son application. Tout retour sur le manuel ou sur des expériences relatives à l’utili- sation pratique les intéresse vivement - ils se réjouissent de toute forme de prise de contact ! Erich Bötsch, Office fédéral de l‘énergie Beat Wellig, Hochschule Luzern – Technik & Architektur 4 Table des matières 1 Introduction ...................................................................................................................................... 7 2 Intégration énergétique de procédés et Analyse Pinch ................................................................... 9 2.1 Intégration de procédés ....................................................................................................... 9 2.2 Contexte de l'intégration de procédés .................................................................................. 9 2.3 Analyse Pinch ....................................................................................................................... 9 2.4 Pourquoi l’Analyse Pinch est-elle unique? ........................................................................... 9 2.5 A quelles questions répond une analyse Pinch ? .............................................................. 11 2.6 Quand faut-il recourir à l'Analyse Pinch ? .......................................................................... 11 2.7 Success stories dans l'industrie ......................................................................................... 11 3 Utilisation du manuel ..................................................................................................................... 13 4 Fondamentaux du génie des procédés ......................................................................................... 19 4.1 Lois de conservation et équations de bilan générales ....................................................... 19 4.2 Équations de bilan .............................................................................................................. 19 4.3 Exemples d’équations de bilan .......................................................................................... 22 4.4 Transfert de chaleur ........................................................................................................... 24 4.5 Considérations exergétiques .............................................................................................. 32 4.6 Exemple d'application: évaporation flash de jus de fruits concentré ................................. 36 5 Détermination des valeurs cibles énergétiques d’un procédé continu .......................................... 38 5.1 Introduction ......................................................................................................................... 38 5.2 Définitions : procédé et installation .................................................................................... 38 5.3 Définitions : flux, exigences de procédé, et utilités ............................................................ 38 5.4 Diagramme Température-Enthalpie ................................................................................... 39 5.5 Construction d’une courbe composite ................................................................................ 42 5.6 Les courbes composite ...................................................................................................... 43 5.7 Les trois règles d’or du pincement ..................................................................................... 43 6 Supertargeting d’un procédé continu ............................................................................................ 45 6.1 Introduction ......................................................................................................................... 45 6.2 Valeurs cibles des coûts totaux annuels ............................................................................ 46 6.3 Conclusions sur le Supertargeting ..................................................................................... 47 7 Conception du réseau d’échangeurs de chaleur (HEN Design) ................................................... 49 7.1 Maximum Energy Recovery HEN (MER HEN) .................................................................. 49 7.2 Principe et représentation du MER HEN ........................................................................... 49 7.3 Règles de conception d‘un MER HEN ............................................................................... 50 7.4 Optimisation du réseau HEN .............................................................................................. 56 7.5 Limitations et contraintes ................................................................................................... 58 8 Optimisation de la fourniture de chaleur ........................................................................................ 60 8.1 Introduction ......................................................................................................................... 60 8.2 Principes de base de la courbe grande composite (GCC) ................................................ 61 8.3 Optimisation des utilités ..................................................................................................... 62 8.4 Unités de conversion d’énergie - Energy Conversion Units (ECUs) .................................. 65 8.5 Optimisation des utilités et conséquences pour la conception du HEN............................. 72 9 Modélisation énergétique .............................................................................................................. 73 9.1 Introduction ......................................................................................................................... 73 9.2 Remise en question des conditions du procédé ................................................................ 73 9.3 Définition des exigences du procédé ................................................................................. 76 9.4 Traitement de cas particuliers, conseils pour la modélisation ........................................... 83 5 9.5 Exemples de modélisation énergétique ............................................................................. 85 10 Exemple d'analyse Pinch d’un procédé continu ............................................................................ 88 11 Nouvelle installation vs modernisation d’installation existante ...................................................... 98 11.1 Introduction ........................................................................................................................ 98 11.2 Pourquoi le retrofit de HENs existants? ............................................................................. uploads/Management/ manuel-pinch-ofen-2017.pdf