1 L'intégration des procédés dans l'industrie de la transformation du lait Serge Bédard, gestionnaire principal de projet CanmetÉNERGIE-Varennes Ressources naturelles Canada
Aperçu de la présentation 2 Contexte et enjeux de l'industrie de la transformation du lait Qu'est-ce que l'intégration des procédés (IP)? Procédés industriels pouvant bénéficier de l IP Principales étapes d'une étude d IP Exemple d application de l IP dans l industrie de la transformation du lait Conclusions Questions et réponses
Contexte et enjeux de l'industrie de la transformation du lait 3 Secteur industriel très diversifié Petites, moyennes et grandes usines Usine de production de lait, usine de production beurre et fromage, usine de transformation du lactosérum, production de poudre de lait, etc. Une combinaison de plusieurs procédés est fréquente Les usines peuvent être très complexes et disposer de nombreux équipements énergivores Les systèmes utilitaires sont souvent complexes et présentent Des opportunités de récupération de chaleur Des opportunités d amélioration de leur efficacité
Contexte et enjeux de l'industrie de la transformation du lait 4 Réfrigération Air comprimé Chaudières à vapeur HVAC Quelles sont les possibilités de récupération de chaleur? Lesquelles devrait-on prioriser? Quels effets croisés ces projets peuvent-ils avoir? L'intégration des procédés (IP) peut répondre à ces questions
5 Qu'est-ce que l'intégration des procédés? Comment déterminer les projets de récupération de chaleur dans les procédés industriels complexes? Efficacité énergétique, réduction des GES, compétitivité
Qu'est-ce que l'intégration des procédés? 6 Une méthodologie pour analyser les courants d énergie, identifier et corriger les inefficacités énergétiques dans les procédés industriels complexes Analyse le procédé dans son ensemble ainsi que les interactions entre les différentes parties du procédé, plutôt que de considérer les opérations individuellement Une approche globale : Permet de déterminer, dans le procédé, les points où la chaleur est utilisée, où elle devrait être récupérée et où elle devrait être utilisée Reconnue comme l une des meilleures pratiques dans plusieurs industries pour une gestion efficace de la chaleur (énergie thermique) Une approche pouvant conduire à des économies d énergie thermique et d eau de 15 à 35%, avec un retour sur l investissement intéressant
Qu'est-ce que l'intégration des procédés? 7 Préchauffage eau d appoint Fumée des chaudières Compresseurs d air Alimentation évaporateurs Retour de condensat Échangeurs de chaleur Analyse d intégration des procédés (Approche globale structurée) Chauffage de bâtiment Alimentation séchoirs Système réfrigération Production d eau chaude Effluents liquides Air humide séchoirs
Procédés pouvant bénéficier d une étude d IP 9 Procédés dotés de systèmes énergétiques complexes comportant plusieurs des éléments suivants : Nombreuses demandes de chauffage et de refroidissement Nombreux échangeurs de chaleur de procédé Équipements énergivores (par ex. séchoirs, évaporateurs, chaudières, fours, réacteurs, colonnes à distiller) Grande consommation de vapeur ou de combustible Grande consommation d'eau chaude ou d huile thermique Grande utilisation de refroidissement Gros compresseurs Procédés utilisant une quantité importante d'énergie thermique Consommation d'énergie thermique > 75 000 GJ/an ou l équivalent d une consommation de gaz naturel > 2 000 000 m 3 /an
Intégration des procédés Bénéfices potentiels Énergie thermique 11 THERMIQUE Sources : Linnhoff-March et RNCan PRI moyenne des projets : 6 mois à 3 ans, en général Coût d'une étude d IP : 30 000 $ à 80 000 $ pour l agro-alimentaire
Intégration des procédés Principales étapes d'une étude d IP 13
Étude d'intégration des procédés: Principales étapes 14 Étape 1. Diagramme simplifié des courants d énergie du procédé Étape 2. Bilan de masse et d énergie Étape 3. Bilan d énergie détaillé de certains équipements complexes Étape 4. Analyse des possibilités de modifications aux conditions opératoires Étape 5. Analyse de pincement (analyse «Pinch») Identifier les points d échange de chaleur et extraire les données Tracer les courbes composites (CC) Identifier les inefficacités énergétiques Prioriser les échanges qui sont des sources importantes d inefficacité Identifier les options de projet Étape 6. Étude de préfaisabilité technico-économique Étape 7. Sélection des projets et développement d une stratégie d implantation
21 Résultats d une étude d IP Une étude d IP fournit une liste de mesures d économie d énergie rentables présentées dans un plan d action pour améliorer l efficacité énergétique de l usine à court, moyen et long terme 1. Améliorations aux conditions d opération 2. Récupération des rejets thermiques Systèmes de production des utilités et équipements énergivores 3. Récupération de la chaleur dans le procédé Entre les courants chauds et les courants froids du procédé Par génération de vapeur 4. Projets d'économie d'eau ayant un impact sur l'énergie 5. Cogénération et pompes à chaleur
22 Exemple d application de l IP Usine de transformation du lait
23 Description de l usine Environ 300 employés Principaux produits: fromage, beurre, divers produits séchés à base de lait et de lactosérum Facture énergétique : 5,5 millions $/yr (3,5M$ en gaz naturel et 2M$ en électricité) Plusieurs lignes de production Chaudières à vapeur totalisant 1 600 HP Systèmes de réfrigération de 3 000 HP Pasteurisation et plus de 40 échangeurs de chaleur Évaporateur Séchoir
Équipements de procédé typiques 24
Diagramme d écoulement simplifié 25
Température 26 Analyse de pincement: Courbes composites 250 200 150 100 50 Zone de récupération de chaleur maximale Qchaud min Les courbes composites: un outil puissant pour Identifier la consommation minimale d utilité chaude (potentiel maximal de réduction) Identifier les inefficacités thermodynamiques les plus importantes (localisation et quantification) 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000 Charge thermique (kw) Définir les règles à suivre pour corriger les inefficacités et réduire le plus possible la consommation d énergie
Identification des principales inefficacités thermodynamiques 27
Opportunités d économie d énergie 28 Les courbes composites montrent que pour obtenir une récupération de chaleur optimale: Aucune utilité chaude (vapeur, gaz naturel, huile thermique) ne doit être utilisée pour chauffer un courant de procédé à une température inférieure à 70 C Aucune utilité froide (glycol, eau glacée) n est requise pour refroidir un courant de procédé ayant une température de plus de 10 C Les opportunités les plus importantes étaient: Récupération de chaleur des fumées de la chaudière et du séchoir pour faire une boucle d eau chaude Préchauffage de l alimentation au séchoir Préchauffage de l air de séchage Production d eau chaude par récupération de chaleur Modification au préchauffage de l eau d appoint des chaudières Modification à une unité de pasteurisation
Modification à une unité de pasteurisation 29 Configuration initiale du procédé Glycol Lactosérum 30 C 5 C 850 kw 40 C Crème allant vers un autre procédé V Réchauffeur à vapeur Lait cru 5 C 40 C 40 C 74 C Lait pasteurisé vers d autres procédés 35 C 74 C 1 100 kw Séparateur de crème 1 000 kw L étude d intégration des procédés a permis d identifier des inefficacités thermodynamiques dans cette section de l usine Tube de maintien 29
Analyse des courbes composites (modification à une unité de pasteurisation) 30 Lait pasteurisé Échangeur de chaleur Régénération Violation du point de pincement (transfert de chaleur à travers le point de pincement) Potentiel de récupération d énergie Lait cru 30
Analyse des courbes composites (modification à une unité de pasteurisation) 31 Source de chaleur au-dessous du point de pincement Puits de chaleur au-dessus du point de pincement Échangeur de chaleur Réchauffeur à vapeur Pénalité due à l utilisation de vapeur Potentiel de récupération d énergie Échangeur de chaleur Refroidisseur lactosérum Pénalité due à l utilisation de refroidissement Potentiel de récupération d énergie 31
Modification à une unité de pasteurisation 32 Procédé intégré : nouvelle configuration Lactosérum 30 C 52 C Crème V Réchauffeur à vapeur Lait cru 5 C 25 C 40 C 40 C 61 C 74 C Glycol 630 kw 12 C 35 C 470 kw Séparateur de crème 630 kw 370 kw 220 kw 5 C Lactosérum Lait pasteurisé Tube de maintien Échangeur nouveau ou modifié 32
33 Résultats Une des premières études d IP dans une usine de transformation du lait au Canada 4 projets principaux ont été identifiés dont un qui combine plusieurs sous-projets Tous ces projets étaient techniquement et économiquement viables Plusieurs de ces projets auraient été difficiles à identifier ou conçus différemment sans la réalisation d une étude d intégration des procédés D autres projets ayant une PRI plus longues ont également été identifiés. Ces projets permettraient une économie d énergie supplémentaire de 10% L ensemble de l étude a nécessité 400 heures de travail Économie ($/an) PRI < 3 ans Réduction gaz naturel Réduction CO2 (tonnes/an) 1 100 000 30% 4 700
34 Conclusions Une étude d IP peut être réalisée en 7 étapes Elle permet d identifier des projets d économie d énergie rentables incluant La mise en place de meilleures pratiques opératoires Des projets de récupération de chaleur Des projets de pompage de la chaleur et de cogénération Elle permet généralement d obtenir des économies d énergie thermique de 20% à 30% dans les usines de transformation du lait Elle permet le développement d une stratégie d investissement en efficacité énergétique Il est recommandé d inclure un audit des systèmes utilitaires, principalement les systèmes de réfrigération et les chaudières puisque de nombreux projets d amélioration sont souvent identifiés dans ces systèmes
35 Conclusions Ressources naturelles Canada et ses partenaires encouragent l utilisation de l IP dans l industrie canadienne Information, incitatifs financiers (OEE, BEIE, GazMétro) Formation, outils, et soutien technique : présentement offerts au Québec avec le support du BEIE Notre objectif - Faire de l'intégration des procédés une pratique courante dans le domaine de l'efficacité énergétique industrielle Pour plus d information sur le support offert, visitez-nous au kiosque de Ressources naturelles Canada
Merci pour votre attention 36 Questions et réponses Serge Bédard CanmetÉNERGIE Optimisation des procédés industriels Courriel: serge.bedard@rncan.gc.ca Téléphone: 450-652-4957 Renseignements : http://canmetenergie.rncan.gc.ca