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RECORD RECORD 09-0233/1A Transport longue distance et stockage d’énergie calori

RECORD RECORD 09-0233/1A Transport longue distance et stockage d’énergie calorifique, en couplage avec des procédés de valorisation énergétique des déchets Etat de l’art décembre 2011 www.record-net.org ETUDE N° 09-0233/1A TRANSPORT LONGUE DISTANCE ET STOCKAGE D'ENERGIE CALORIFIQUE, EN COUPLAGE AVEC DES PROCEDES DE VALORISATION ENERGETIQUE DES DECHETS ETAT DE L’ART RAPPORT FINAL décembre 2011 O. MEGRET, L. BEQUET - CADET International A. MANIFICAT, C. WEBER - GRETh Etude RECORD n°09-0233/1A 2 Créée en 1989 à l’initiative du Ministère en charge de l’Environnement, l’association RECORD – REseau COopératif de Recherche sur les Déchets et l’Environnement – est le fruit d’une triple coopération entre industriels, pouvoirs publics et chercheurs. L’objectif principal de RECORD est le financement et la réalisation d’études et de recherches dans le domaine des déchets et des pollutions industrielles. Les membres de ce réseau (groupes industriels et organismes publics) définissent collégialement des programmes d’études et de recherche adaptés à leurs besoins. Ces programmes sont ensuite confiés à des laboratoires publics ou privés. Avertissement : Les rapports ont été établis au vu des données scientifiques et techniques et d'un cadre réglementaire et normatif en vigueur à la date de l'édition des documents. Ces documents comprennent des propositions ou des recommandations qui n'engagent que leurs auteurs. Sauf mention contraire, ils n'ont pas vocation à représenter l'avis des membres de RECORD. 9 Pour toute reprise d’informations contenues dans ce document, l’utilisateur aura l’obligation de citer le rapport sous la référence : RECORD, Transport longue distance et stockage d'énergie calorifique, en couplage avec des procédés de valorisation énergétique des déchets. Etat de l’art, 2011, 437 p, n°09-0233/1A. 9 Ces travaux ont reçu le soutien de l’ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie) www.ademe.fr © RECORD, 2011 Etude RECORD n° 09-0233/1A Page 3 sur 140 RESUME L’objet de cette étude est de réaliser un état de l’art sur le transport longue distance et le stockage d’énergie calorifique et d’en étudier le couplage avec les procédés de valorisation énergétique des déchets. Après un rappel du contexte favorable au développement de ces solutions et à la définition de la portée de ce travail, l’’étude débute par un chapitre sur les éléments introductifs en matière de stockage et de transport d’énergie calorifique. Le second chapitre concerne la description des matériaux, des équipements et des systèmes permettant le stockage d’énergie calorifique. Le troisième chapitre détaille les systèmes de transport d’énergie calorifique sur longue distance. Le quatrième chapitre présente les procédés de valorisation énergétique des déchets ainsi que des utilisateurs potentiels d’énergie calorifique. Le cinquième chapitre résume les différentes techniques de stockage et de transport d’énergie calorifique applicables au domaine des déchets par secteur. Enfin, le sixième chapitre présente 3 études de cas dans 3 secteurs identifiés : habitat/tertiaire, blanchisserie et industrie haute température (sidérurgie). Le but étant de statuer sur la faisabilité de mise en œuvre des différentes techniques de stockage et de transport d’énergie calorifique dans le domaine des déchets. MOTS CLES Valorisation énergétique des déchets, stockage d’énergie calorifique, transport longue distance ------------------------------------------- SUMMARY This study aims, on one hand, to realize a state of art about over long distance transport and heat energy storage and, on the other hand, to examine their coupling with waste valuation systems. After reminding the adequate context of development with those solutions and too showing the importance of the stake linked to the current work, we first expose the introductive elements in terms of storage and heat energy transport. The second chapter deals with the description of some materials, equipments and systems concerning heat storage energy. Afterward, the over long distance heat transport systems are detailed in the third chapter. In the fourth chapter, it is about waste valuation techniques and heat energy potentials users. The fifth chapter sums up the different techniques of storage and heat transport that are applicable to waste field according to the appropriate sector. Finally, the sixth chapter goes about 3 caseworks in 3 fields: housing/commercial, industrial laundry and high temperature industry (steel industry). The purpose is to determine the implementation feasibility of the different techniques of storage and waste heat transport. KEY WORDS Waste energy development, thermal energy storage, over long distance transport Etude RECORD n° 09-0233/1A Page 4 sur 140 Sommaire 1. ÉLÉMENTS INTRODUCTIFS – CHAPITRE 1 ............................................................................................ 8 1.1. CONTEXTE GENERAL .................................................................................................................................... 8 1.2. DEFINITION DE LA PORTEE DE L’ETUDE ........................................................................................................ 9 1.3. ELEMENTS INTRODUCTIFS : STOCKAGE ET TRANSPORT DE CHALEUR (ET DE FROID) DANS LES SYSTEMES THERMIQUES ET ENERGETIQUES .............................................................................................................................. 10 3.1.1 Stockage de chaleur et/ou de froid ........................................................................................................ 10 3.1.2 Transport de chaleur et/ou froid ........................................................................................................... 13 3.1.3 Questions techniques sur l'état de l’art des technologies de stockage et de transport de l’énergie thermique ........................................................................................................................................................... 14 1.4. BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 1 .................................................................................................................. 15 2. LES MATÉRIAUX, ÉQUIPEMENTS ET SYSTEMES POUR LE STOCKAGE THERMIQUE – CHAPITRE 2 ............................................................................................................................................................ 16 2.1. STOCKAGE THERMIQUE PAR CHALEUR SENSIBLE ........................................................................................ 16 2.2. STOCKAGE THERMIQUE PAR CHALEUR LATENTE......................................................................................... 18 2.3. STOCKAGE THERMOCHIMIQUE .................................................................................................................... 20 2.4. LES CARACTERISTIQUES DE PERFORMANCES DES DISPOSITIFS DE STOCKAGE .............................................. 22 2.5. CONCLUSION PARTIELLE : VALORISATION DES DONNEES RECUEILLIES POUR L’ETUDE DE CAS CONCRETS D’APPLICATION ........................................................................................................................................................ 25 2.6. SYNTHESE ET COMPARAISON DES MODES DE STOCKAGE THERMIQUE ......................................................... 26 2.7. STOCKAGE FROID : TECHNOLOGIE CRISTOPIA (CIAT GROUP) .............................................................. 30 2.8. BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 2 .................................................................................................................. 32 3. TRANSPORT DE L’ÉNERGIE CALORIFIQUE - CHAPITRE 3 ............................................................. 33 3.1. TRANSPORT D’ENERGIE A HAUTE TEMPERATURE ....................................................................................... 34 3.1.1. Reformage du méthane avec du dioxyde de carbone ou de vapeur .................................................. 34 3.1.2. Dissociation d'ammoniac et sa synthèse ........................................................................................... 37 3.1.3. Caractéristiques des éléments catalyseurs dans les réactions réversibles pour le transport de chaleur à haute température .............................................................................................................................. 38 3.2. TRANSPORT D’ENERGIE A BASSE TEMPERATURE ........................................................................................ 39 3.2.1. Les réactions chimiques : Décomposition et synthèse du méthanol ................................................. 39 3.2.2. Le changement de phase ................................................................................................................... 41 3.2.3. Chemical Heat Pump Container (CHCP) ......................................................................................... 43 3.2.4. Alliages absorbant d’hydrogène ....................................................................................................... 44 3.2.5. Adsorption solide-gaz ....................................................................................................................... 47 3.2.6. Absorption liquide-gaz ..................................................................................................................... 50 3.3. TRANSPORT D’ENERGIE CLASSIQUE ............................................................................................................ 53 3.3.1. Transport de chaud ........................................................................................................................... 53 3.3.2. Transport de froid ............................................................................................................................. 54 Etude RECORD n° 09-0233/1A Page 5 sur 140 3.4. SYNTHESE ET COMPARAISON DES MODES DE TRANSPORT D’ENERGIE CALORIFIQUE INNOVANTS ................ 55 3.5. LES REACTIONS CATALYTIQUES REVERSIBLES ............................................................................................ 56 3.5.1. Les systèmes à sorption .................................................................................................................... 57 3.5.2. Les systèmes containeurs : transport « batch » ................................................................................ 58 3.5.3. Les modes de transport classiques .................................................................................................... 59 3.6. COMPARAISON DES MODES DE TRANSPORT INNOVANTS AVEC LES MODES D’ENERGIE PRIMAIRE ................ 60 3.6.1. Comparaison des performances technologies de transports innovants ............................................ 60 3.6.2. Comparaison en termes de coût ....................................................................................................... 61 3.7. BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 3 .................................................................................................................. 63 4. CARACTÉRISATION DES PRODUCTIONS / UTILISATEURS D’ÉNERGIE CALORIFIQUE DES DÉCHETS - CHAPITRE 4 ...................................................................................................................................... 64 4.1. IDENTIFICATION DES PROCEDES DE VALORISATION ENERGETIQUE DES DECHETS INTERESSES ..................... 64 4.1.1. Unités de valorisation énergétique UVE (Usine d’incinération des ordures ménagères) ................ 64 4.1.2. Méthanisation et valorisation du biogaz d’ISDND .......................................................................... 73 4.2. IDENTIFICATION DES UTILISATEURS D’ENERGIE CALORIFIQUE .................................................................... 80 4.2.1. Les réseaux de chaleur ..................................................................................................................... 80 4.2.2. Les utilisateurs .................................................................................................................................. 83 4.3. LES AUTRES VOIES D’ETUDE ENVISAGEABLE .............................................................................................. 86 4.3.1. Cogénération .................................................................................................................................... 86 4.3.2. Trigénération .................................................................................................................................... 87 4.3.3. Différentes unités de cogénération-trigénération ............................................................................. 88 4.3.4. Systèmes hybrides ............................................................................................................................. 90 4.3.5. Récupération d’énergie sur les réseaux d’eaux usées ...................................................................... 91 4.4. INTERETS DU STOCKAGE............................................................................................................................. 93 4.5. BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 4 .................................................................................................................. 95 5. CONFRONTATION/APPLICABILITÉ DES SOLUTIONS DE STOCKAGE/TRANSPORT SELON LES PRINCIPES NON CONVENTIONNELS AU DOMAINE DU DÉCHET - CHAPITRE 5 ....................... 96 5.1. TECHNOLOGIES DE STOCKAGE ET TRANSPORT APPLICABLES AU SECTEUR HABITAT/ TERTIAIRE ................. 97 5.1.1. Technologies de stockage applicables au secteur habitat/tertiaire .................................................. 97 5.1.2. Technologies de transport applicables au secteur habitat/tertiaire ................................................. 99 5.2. TECHNOLOGIES DE STOCKAGE ET TRANSPORT APPLICABLES AU SECTEUR INDUSTRIE BASSE TEMPERATURE : BLANCHISSERIE ..................................................................................................................................................... 100 5.2.1. Technologies de stockage applicables au secteur blanchisserie .................................................... 100 5.2.2. Technologies de transport applicables au secteur blanchisserie ................................................... 102 5.3. TECHNOLOGIES DE STOCKAGE ET TRANSPORT APPLICABLES AU SECTEUR INDUSTRIE HAUTE TEMPERATURE : SIDERURGIE ........................................................................................................................................................... 103 5.3.1. Technologies de stockage applicables à la sidérurgie ................................................................... 103 5.3.2. Technologies de transport applicables à la sidérurgie ................................................................... 104 Etude RECORD n° 09-0233/1A Page 6 sur 140 6. ÉTUDES DE CAS - CHAPITRE 6 ............................................................................................................... 105 6.1. SYNTHESE SUR LES UTILISATEURS D’ENERGIE CALORIFIQUE .................................................................... 105 6.2. METHODOLOGIE DES ETUDES DE CAS ....................................................................................................... 106 6.2.1. Phase 1 : préliminaires et étude de faisabilité technique ............................................................... 106 6.2.2. Phase 2 : phase finale ..................................................................................................................... 107 6.3. CAS 0 : STOCKAGE SAISONNIER ................................................................................................................ 108 6.4. CAS 1 : SECTEUR HABITAT ....................................................................................................................... 113 6.4.1. Éléments de contexte ...................................................................................................................... 113 6.4.2. Architecture système ....................................................................................................................... 113 6.4.3. Besoins de l’utilisateur ................................................................................................................... 114 6.4.4. Stockage/Transport d’énergie thermique ....................................................................................... 117 6.4.5. Caractéristiques de la source ......................................................................................................... 119 6.4.6. Fiche de synthèse ............................................................................................................................ 121 6.5. CAS 2 : BLANCHISSERIE ........................................................................................................................... 124 6.5.1. Éléments de contexte ...................................................................................................................... 124 6.5.2. Architecture système ....................................................................................................................... 124 6.5.3. Besoins de l’utilisateur ................................................................................................................... 125 6.5.4. Stockage/Transport d’énergie calorifique ...................................................................................... 125 6.5.5. Caractéristiques de la source ......................................................................................................... 126 6.5.6. Fiche de synthèse ............................................................................................................................ 128 6.6. CAS 3 : SIDERURGIE ................................................................................................................................. 130 6.6.1. Éléments de contexte ...................................................................................................................... uploads/Science et Technologie/ transport-longue-distance-et-stockage-d-x27-energie-calorifique-en-couplage-avec-des-procedes-de-valorisation-energetique-des-dechets.pdf