Valorisation des rejets de chaleur en interne et en externe: techniques et mise en œuvre

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1 Valorisation des rejets de chaleur en interne et en externe: techniques et mise en œuvre Séminaire «Efficacité énergétique, et si on échangeait nos flux d'énergie» Bruxelles, le 8 octobre 2015 Systèmes Energétiques de l ULg

2 Introduction Potentiel de récupération de chaleur Waste heat ( chaleur fatale ) is heat which is generated in a process but then dumped to the environment even though it could still be reused for some useful and economic purpose (Goldstick and Thumann, 1983) Source: Enertime 2

3 Les rejets de chaleur se différencient par: L état de la source: solide/ liquide/ gaz Les caractéristiques de la source: environnement corrosif, t min après extraction Introduction Potentiel de récupération de chaleur Puissances mises en jeu: débits, c p, diff. de t Niveaux de températures («thermal grade») Des profils temporels de la source de chaleur (fluctuations) Rejets de chaleur hors d un moteur turbochargé avec EGR Air en sortie d un refroidisseur de clinkers 3

4 Introduction Objectifs de la présentation Présenter l état de l art dans les domaines de 3 techniques de valorisation de rejets de chaleur: les ORC, les PAC à compression de vapeur et dans une moindre mesure les PAC à absorption Présenter quelques mécanismes de transferts d énergie entre acteurs Lister/décrire quelques réalisations pratiques 4

5 Contenu de la présentation 1. Introduction 2. Un peu de thermodynamique 3. ORC 4. Pompes à chaleur à compression de vapeur 5. Pompes à chaleur à absorption 6. Réseaux de chaleur 7. Conclusions & perspectives 5

6 Un peu de thermodynamique Pompes à chaleur à compression de vapeur T H Q H COP = Q H W [ kw] kw [ ] = h II COP carnot Gaz W PAC à compression de vapeur η II = Limite technique = performances des composants (ordre de grandeur: 0.5) design régulation COP carnot = T H = Limite thermodynamique T H - T L T L (rejets) nature des sources chaude/froide design des systèmes secondaires (émetteurs) 6

7 Un peu de thermodynamique Pompes à chaleur à absorption C T M Q M COP = Q M Q H [ kw] kw [ ] T H (rejets) Q H PAC à absorption Ordre de grandeur: (en production de chaleur) 160 C Q L T L (rejets) C 7

8 Un peu de thermodynamique Cycles de Rankine organiques T H (rejets) h = W Q H [ kw] kw [ ] = h II h carnot Q H Avec h carnot =1- T L T H ORC T L W η varie entre 5 et 24% Si la source de chaleur est «gratuite», le meilleur indicateur de performance est la puissance mécanique/électrique développée par l ORC 8

9 Contenu de la présentation 1. Introduction 2. Un peu de thermodynamique 3. ORC 4. Pompes à chaleur à compression de vapeur 5. Pompes à chaleur à absorption 6. Réseaux de chaleur 7. Conclusions & perspectives 9

10 Organic Rankine Cycles La machine et le cycle 10

11 Organic Rankine Cycles Différences par rapport au cycle à vapeur En récupération/cogen, systèmes ORC : économiquement plus rentable que les cycles à vapeur pour des puissances inférieures à 3-5MWe (système optimisé/construit en usine, pas d unité de taitement d eau, pas de problème de contrôle surchauffe, pression plus faibles ) T source de chaleur entre 100 C et 450 C Facile à installer (en un module pré-assemblé), compact et fiable Chaudière moins complexe et moins chère, car Chauffe une huile thermique à basse pression jusque 350 C Cycle à vapeur: haute pression (60-70 bar) et nécessité de surchauffer (450 C) Fluide de travail à basse pression(<20 bar) Système autonome Pression au condenseur supérieure à la pression ambiante (pas d infiltration) Fluides secs => pas de risque d endommagement de la turbine 11

12 Organic Rankine Cycles Différences par rapport au cycle à vapeur Cycle de Rankine conventionnel: (Source: ORMAT) Cycle de Rankine organique: Production électricité centralisée (>50MWe) Source à haute température Fluide de travail: eau Production électricité décentralisée Source à plus basse température: solaire, biomasse, récupération chaleur Fluide de travail: réfrigérant, hydrocarbure 12

13 Organic Rankine Cycles Récupération dans une cimenterie aaa Example: Lengfurt, Germany MW are recovered from the clinker cooler air (supply/exhaust temperatures: 275/125 C; flow rate: 150,000 Nm 3 /h), through a thermal oil loop (supply/exhaust temperatures: 85/230 C). - Heat sink is ambient air. - The ORC system, operating with pentane, generates 1.3 MWe, what represents 12% of the plant electrical consumption. Source: ORMAT 13

14 Organic Rankine Cycles Récupération sur un cubilot de fonderie Cuppola furnace Flue gases at 200 C ORC: 870 kwe Source Enertime 5.6 MW th récupérés hors de gaz de combustion Puissance électrique nette: 870 kw e 30 % de la consommation électrique de l usine peut être couverte par l ORC 14

15 Organic Rankine Cycles Récupération sur un incinérateur de déchets Source: Mirom Incinérateur à Roeselare, Belgique La chaleur des gaz de combustion récupérée au moyen d une boucle d eau pressurisée à 175 C (boucle alimente une serre, des bâtiments et un ORC de 3MWe) En 2011, l ORC a été utilisé 8364 heures, a produit MWhe, avec un rendement moyen de 15.8% 15

16 Organic Rankine Cycles Centrales cogénération biomasse 47% des systèmes installé, 5.8% puissance installée (88 MWe) 450 kwe 2.5 MWe Bois, résidus agricoles/scieries=> combustion externe: ORC ou Stirling Gazéification Eta=15-20% Cogénération: Condenseur: eau à 70-90C chauffage urbain ou séchage bois/pellet Possibilité de µ-cogénération (<50 kwe) 16

17 Contenu de la présentation 1. Introduction 2. Un peu de thermodynamique 3. ORC 4. Pompes à chaleur à compression de vapeur 5. Pompes à chaleur à absorption 6. Réseaux de chaleur 7. Conclusions & perspectives 17

18 Pompes à chaleur à compression de vapeur Chaleur rejetées par les machines frigorifiques Tirer profit des demandes dimultanées de chaud/froid Source: IEA ECBCS Annex 48 aaa Source: McQuay Source: Baltimore Aircoil 18

19 Pompes à chaleur à compression de vapeur Banc de tests de moteurs d avions Puissance thermique disponible sur banc d essai Power 46 [MW] T 60 [ C] Valorisation au moyen de pompes à chaleur 19

20 Pompes à chaleur à compression de vapeur Transformateurs Exemple: Transformateur 150kV/11kV 50 MVA Pertes: 62.7 kw (transformateur à 50% de sa puissance nominale) T huile: proche de 50 C Pertes pourraient être valorisées via une pompe à chaleur sous un COP de 4.9 (T huile: 31/43 C et T eau:50/61 C) 20

21 Pompes à chaleur à absorption Raffinerie de cuivre Exemple: Réseau de chaleur de la Ville de Chiffeng (Mongolie): 4.6 millions habitants La capacité du réseau de chaleur ne répond plus à la demande croissante de chauffage Les demandes de chaleur basse température de l usine (eau chaude sanitaire) souvent moindres que les rejets Le réseau de chaleur, initialement connecté à des unités CHP/chaudières, récupère à présent la chaleur d une fonderie de cuivre et d une cimenterie Source: BERC Tsinghua University 21

22 Réseaux de chaleur Intégration des solutions vues précédemment ORC biomasse ORC sur incinérateur de déchets ORC géothermique Chaufferie Rejets de chaleur PAC: T < 50 C PAC absorption: 100 < T < 180 C Échangeur: 50 < T < 100 C ORC: 150 < T < 300 C 22

23 Température Réseaux de chaleur Pistes de R&D Utilisation de pompes à chaleur en rehausse de température PAC PAC Distance 23

24 Réseaux de chaleur Pistes de R&D Clim Clim PAC PAC PAC Réseau de chaleur à basse température (15-20 C) Chaufferie Tour refroidissement Rivière serre rejets Géothermie Aquifère 24

25 Conclusions & perspectives Conclusions L ORC permet de valoriser une multitude de sources de chaleur, notamment la chaleur «fatale» Les pompes à chaleur (absorption/compression de vapeur sont des technologies complémentaires) ABS. HEAT PUMP VAPOR COMP. HEAT PUMP Source: adapted from Gaia,

26 Merci pour votre attention! Pour plus d informations: 26

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