Valorisa5on de la chaleur à basse température

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1 Valorisa5on de la chaleur à basse température Forma5on IFC con5nuée des enseignants du secondaire Liège, le 22 novembre 2016

2 Introduc5on Objec/fs de l UE pour 2020 Objec/fs pour 2030 (révision en octobre 2014) Diminu&on de 20% (40%) des émissions de gaz à effet de serre (par rapport à 1990) Augmenta&on de 20% (27%) de la part du renouvelable dans le mix énergé&que Diminu&on de 20% (30%) des consomma&ons énergé&ques La feuille de route de l UE est de diminuer les émissions domes5ques de carbone de 80 % pour 2050! 2

3 Introduc5on o L industrie, les bâ5ments et les transports sont trois secteurs par5culièrement énergivores. o Leur consomma5on énergé5que pourrait être largement diminuée en valorisant des flux de chaleur fatale. Source: Eurostat, May

4 Introduc5on o Il existe de nombreuses sources de chaleur fatale résultant de l inefficacité de procédés de conversion d énergie (moteurs à combus5on interne, turbines à gaz, chaudières, etc.) o Comment valoriser ses rejets de chaleur? Ø Moteurs à cycle de Rankine conven5onnels (vapeur d eau) Ø Moteurs à cycles de Rankine organique (ORC) Ø Moteur d Ericsson (cycle de Brayton) Ø Pompes à chaleur à compression de vapeur Ø Machines à absorp5on Ø Générateurs thermoélectriques Ø Source: Ener&me 4

5 Contenu de la présenta5on 1. Introduc5on 2. Un peu de thermodynamique 3. Cycles de Rankine organiques 4. Pompes à chaleur à compression de vapeur 5. Pompes à chaleur à absorp5on 6. Conclusions & perspec5ves 5

6 Un peu de thermodynamique Pompes à chaleur à compression de vapeur T H Q H COP = Q H W [ kw] kw [ ] = η II COP carnot Gaz W PAC à compression de vapeur η II = Limite technique = performances des composants (ordre de grandeur: 0.5) design régula5on COP carnot = T H T H T L = Limite thermodynamique T L (rejets) nature des sources chaude/froide design des systèmes secondaires (émegeurs) 6

7 Un peu de thermodynamique Pompes à chaleur à absorp&on C T M Q M COP = Q M Q H [ kw] kw [ ] T H (rejets) Q H PAC à absorp5on Ordre de grandeur: (en produc5on de chaleur) 160 C Q L T L (rejets) C 7

8 Un peu de thermodynamique Cycles de Rankine organiques T H (rejets) η = W Q H [ kw] kw [ ] = η II η carnot Q H Avec η carnot =1 T L T H ORC T L W ² η varie entre 5 et 24% ² 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 présenta5on 1. Introduc5on 2. Un peu de thermodynamique 3. Cycles de Rankine organiques 4. Pompes à chaleur à compression de vapeur 5. Pompes à chaleur à absorp5on 6. Conclusions & perspec5ves 9

10 Cycles de Rankine organiques Machine et cycle La machine Le cycle 10

11 Cycles de Rankine organiques Différence par rapport au cycle à vapeur Cycle de Rankine conven5onnel: (Source: ORMAT) Cycle de Rankine organique: ü Produc5on électricité centralisée (>50MWe) ü Source à haute température ü Fluide de travail: eau ü Produc5on électricité décentralisée ü Source à plus basse température: solaire, biomasse, récupéra5on chaleur ü Fluide de travail: réfrigérant, hydrocarbure 11

12 Cycles de Rankine organiques Différentes applica&ons Waste heat recovery or renewable energies: solar, biomass, geothermal Electricity/ mechanical power Heat 12

13 Cycles de Rankine organiques Un peu d histoire ² Première men5on des ORC en 1823 (Sir Humprey Davis) ² 1856: Navire «Le France» équipé d un moteur ORC à l éther pour la récupéra5on de chaleur sur moteur à vapeur (explosion du bâteau dans le port de Bahia) ² 1880: ORC installés dans des barges propulsées par des moteurs au naphta, comme alterna5ve aux moteurs à vapeur. Ces derniers requéraient la présence d un ingénieur à bord pour limiter le risque d explosion. 13

14 Cycles de Rankine organiques Un peu d histoire ² 1967: une centrale géothermique de 670 kwe est mise en opéra5on en Russie ² Recherche intensive durant la période ² Applica5ons solaires ² Camions long- rou5ers, navires ² Regain d intérêt dans les années 1990 Source: Desideri,

15 Cycles de Rankine organiques Comparaison avec le cycle à vapeur ü ORC: économiquement plus rentables que les cycles à vapeur d eau pour les puissances inférieures à 3-5 MWe : o Inves5ssement ORC = système standardisé, cycles à vapeur d eau = sur mesure ORC assemblés/op5misés en usine, cycles à vapeur d eau assemblés sur place ORC est conçu par un constructeur, cycle à vapeur d eau conçu par un bureau d étude au cas par cas Pe5tes turbines (<3MWe): chères et longs délais de fourniture, car peu de constructeurs en Europe o Opéra5on Ges5on d une unité de traitement de l eau (nécessaire pour la turbine et la chaudière) a un coût Contrôle de la surchauffe en entrée de turbine augmente le coût opératoire o Performance Les performances sont similaires jusqu 1 MWe. Pour des puissances inférieures, les performances des cycles à vapeur d eau diminuent plus fortement que celles des ORCs 15

16 Cycles de Rankine organiques Avantages (Source: ORMAT) ü T source de chaleur entre 100 C et 450 C ü Facile à installer (en un module pré- assemblé), compact et fiable ü 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) ü Fluide de travail à basse pression(<20 bar) ü Système autonome ü Pression au condenseur supérieure à la pression ambiante (pas d infiltra/on) ü Fluides secs => pas de risque d endommagement de la turbine 16

17 Cycles de Rankine organiques Récupéra&on de chaleur sur moteurs de voitures ü Passenger cars (gasoline) exhaust gas ( C) cooling circuit (80-90 C) Source : Singh, D. J., Thermoelectrics Theory and Structure Convert ~1/3 of fuel energy into mechanical power ü Trucks (Espinosa et al.) coolant water (between 90 C and 110 C) Exhaust gases (between 250 C and 350 C) Exhaust gas recircula5on (EGR) gases (between 400 C and 500 C) Charge air cooler outlet gases (CAC): around 150 C 17

18 Cycles de Rankine organiques Récupéra&on de chaleur sur moteurs de voitures (source: Freymann et al., 2008 (BMW)) (Source: Endo et al., 2010) Efficacité du moteur augmente de 28.9% à 32.7% ² T des gaz échappement: C et T circuit refroidissement: C ² Fluide: eau, eau + éthanol ² Technologie concurrente: thermoélectricité 18

19 Cycles de Rankine organiques Récupéra&on de chaleur sur moteurs de camions Exemple: US10 11 liter 385 HP engine 10 kw puissance mécanique 6-8% de réduc5on de consomma5on diesel Problèmes rencontrés: ² Rejet de chaleur au condenseur ² Consomma5on de la puissance électrique produite ² Régula5on 19

20 Cycles de Rankine organiques Récupéra&on de chaleur sur moteurs de camions 20

21 Cycles de Rankine organiques Récupéra&on de chaleur sur moteurs de navires Sea- going vessel ORC: 500 kwe Source: OPCON ² Plus de 16,000 navires dans le monde avec moteurs >10MW (4-5% émissions mondiales de CO2 ² Température des gaz d échappement autour de 310 C. Moteur de navire de 15 MW ² Dans les systèmes de récupéra5on de chaleur actuellement u5lisés, la température est limitée à 180 C pour éviter tout risque de condensa5on acide. Vincent Lemort Laboratoire de 21

22 Cycles de Rankine organiques Géothermie ² En présence d un faible 5tre en vapeur/faible température, ORC plus performant et rentable que cycle flash ² Limite inférieure: C ² A haute température (150 C), possibilité de CHP ² Centrale de 95 MWe en construc5on 22

23 Cycles de Rankine organiques Géothermie Exemple: Centrale de Soultz- sous- Forêts Puits d extrac5on: 5 km 1.5 MWe Fluide géothermique: 175 C Fluide ORC: iso- butane 23

24 Cycles de Rankine organiques Récupéra&on de chaleur dans les cimenteries Pulp and paper 2% Other 23% Iron and steel 30% Cement 26% Chemicals 17% Aluminum 2% Emissions directes de CO2 dans l industrie, par secteur en 2006 (IEA, 2009) o o o o Les ac&vités industrielles sont responsables de près d un &ers de la demande globale d énergie et près de 40% des émissions mondiales de CO2 (IEA, 2009) En 2006, l industrie cimen5ère a consommé 9.6 EJ d énergie finale totale, 8% de la consomma5on énergé5que industrielle mondiale et était responsable de 26% des émissions directes de CO2 en industrie La produc5on de ciment est par5culièrement énergivore: 2.9 GJ à 4.7GJ d énergie finale (incluant l électricité) par tonne de ciment produite. La produc5on des clinkers est le poste le plus consommateur. L énergie représente de 20 à 40% du coût de produc5on. 24

25 Cycles de Rankine organiques Récupéra&on de chaleur dans les cimenteries 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, opera5ng with pentane, generates 1.3 MWe, what represents 12% of the plant electrical consump5on. Source: ORMAT 25

26 Cycles de Rankine organiques Récupéra&on de chaleur sur les incinérateurs de déchets Source: Mirom ² Incinérateur à Roeselare, Belgique ² La chaleur des gaz de combus5on récupérée au moyen d une boucle d eau pressurisée à 175 C (boucle alimente une serre, des bâ5ments et un ORC de 3MWe) ² En 2011, l ORC a été u5lisé 8364 heures, a produit MWhe, avec un rendement moyen de 15.8% 26

27 Cycles de Rankine organiques Récupéra&on de chaleur dans les fonderies Cuppola furnace Flue gases at 200 C ORC: 870 kwe ² 5.6 MW th récupérés hors de gaz de combus5on ² Puissance électrique nege: 870 kw e ² 30 % de la consomma5on électrique de l usine peut être couverte par l ORC 27

28 Cycles de Rankine organiques Récupéra&on de chaleur dans les fours à brames o Fumées en sor5e du four à brames à 820 C o U5lisa5on d un échangeurs à caloducs comme évaporateur de l ORC. Source: Comeca Projet ORCAL 28

29 Cycles de Rankine organiques Centrales solaires Exemple: 1 MWe solar plant in Arizona: Concentrateur cylindro paraboliques produisent de l huile à 300 C Fluide ORC: n- pentane Efficacité ORC sur point nominal: 20.7% Efficacité centrale sur point nominal/ annuelle: 12.5%/7.5% 29

30 Cycles de Rankine organiques Centrales solaires o Développement d une micro- centrale solaire de 3 kwe sur le campus o Le module ORC d une micro- centrale solaire a été caractérisé expérimentalement. ² 4.5% de rendement/915 W o Connexion aux collecteurs solaires cet été Vincent Lemort Laboratoire de 30

31 Contenu de la présenta5on 1. Introduc5on 2. Un peu de thermodynamique 3. Cycles de Rankine organiques 4. Pompes à chaleur à compression de vapeur 5. Pompes à chaleur à absorp5on 6. Conclusions & perspec5ves 31

32 Pompes à chaleur à compression de vapeur Récupéra&on de chaleur sur les condenseurs des machines frigo Tirer profit des demandes dimultanées de chaud/froid Source: IEA ECBCS Annex 48 Source: McQuay 32

33 Pompes à chaleur à compression de vapeur Banc de tests de moteurs d avions ² Puissance thermique disponible sur banc d essai Power 46 [MW] T 60 [ C] ² Valorisa5on au moyen de pompes à chaleur 33

34 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) 34

35 Contenu de la présenta5on 1. Introduc5on 2. Un peu de thermodynamique 3. Cycles de Rankine organiques 4. Pompes à chaleur à compression de vapeur 5. Pompes à chaleur à absorp/on 6. Conclusions & perspec5ves 35

36 Pompes à chaleur à absorp5on 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, ini5alement connecté à des unités CHP/chaudières, récupère à présent la chaleur d une fonderie de cuivre et d une cimenterie Source: BERC Tsinghua University 36

37 Conclusions ² L ORC permet de valoriser une mul5tude de sources de chaleur, notamment la chaleur «fatale» ² Les pompes à chaleur sont des technologies complémentaires pour la récupéra5on de chaleur à basse température ABS. HEAT PUMP VAPOR COMP. HEAT PUMP Source: adapted from Gaia,

38 Conclusions ² Nombreux challenges techniques et scien5 iques ² Développement de PAC/ORC réversibles Source: Innogie et ULg 1 er prototype construit dans le Monde: Dimensionné pour produire 4030 kwhe par an COP de 4.21 (Tev=21 C/Tcd=61 C) Rendement ORC de 5.7% (Texcd=25 C/Tsuev=88 C) 38