Le Service Facilitateur URE Process de la Wallonie est assuré par : 3j-Consult S.A. CCI Hainaut CCI Luxembourg belge.

Le Service Facilitateur URE Process de la Wallonie est assuré par : 3j-Consult S.A. CCI Hainaut CCI Luxembourg belge Présentation des différentes techniques de récupération d énergie sur processus Séminaire MEWA Peronnes-lez-Binche, le mercredi 25 mai 2011 Préparé par Jacques MICHOTTE, facilitateur URE process Présenté par Jean-Benoît VERBEKE, facilitateur URE process

Situations typiques (1/3) Récupérer l'énergie d'un fluide sortant : air chaud : ventilation, HVAC; fumées d'un four à gaz; air chaud et humide à la sortie d'un séchoir; nécessité d'un échangeur de chaleur ou d'une chaudière de récupération; 2

Situations typiques (2/3) Récupérer l'énergie avec le fluide sortant : eau chaude de lavage des "NEP" (ou "CIP"), mise en cascade; fumées d'un four utilisées en cascade dans un séchoir; Echangeur chaleur 3

Situations typiques (3/3) Récupérer la chaleur dégagée par la machine elle-même : eau de refroidissement d'un moteur => cogénération; air de refroidissement d'un compresseur (air comprimé, groupe frigorifique); 4

Exigences générales (1/1) Quatre exigences pour une rentabilité suffisante : niveau de T compatible avec l'utilisation; proximité géographique entre la source et l'utilisation; simultanéité entre la disponibilité à la source et l'utilisation visée; fiabilité de la source. Si T trop basse : oublier le projet (sauf pompe à chaleur = cher!) Si pas de proximité : passer par un fluide intermédiaire (par ex. boucle d'eau glycolée en HVAC); Si pas de complète simultanéité : passer par un ballon de stockage d'eau chaude (typique dans le cas d'une cogen). Si pas de fiabilité de la source : oublier le projet! 5

Situations idéales (1/2) La situation tout à fait idéale : réinjecter le fluide avec son énergie directement dans le process lui-même : par exemple l'air chaud et humide qui est "recirculé" dans un séchoir. 6

Situations idéales (2/2) La situation presque idéale : réinjecter l'énergie d'un fluide sortant dans un fluide entrant dans le même process : la chaleur des fumées d'un four est utilisée pour préchauffer l'air comburant. Dans ce cas il faut un échangeur de chaleur ou "récupérateur". 7

Fausses bonnes idées (1/3) Vouloir récupérer la chaleur basse T : 40 50 C est le plus souvent une "fausse bonne idée" : pas d'utilisation simultanée à proximité. Exception : Chauffage basse T (par ex. chauffage par le sol) mais coût du réseau et problème de disponibilité de la source! 8

Fausses bonnes idées (2/3) Vapeur : vouloir récupérer la chaleur sensible des condensats avant de les renvoyer à la chaudière. L'énergie "récupérée" sera finalement fournie en plus par la chaudière! 9

Fausses bonnes idées (3/3) Air ou fumées chaudes : vouloir les transporter sur une grande distance. Si basse T : peu rentable; Si T plus élevées : coût des conduites isolées (dilatation, corrosion, etc.). 10

Situations les plus courantes (1/2) Récupération sur les fumées (fours et grosses chaudières) => préchauffage de l'air comburant; Récupération sur l'extraction d'un sécheur => préchauffage de l'air neuf; Récupération de la chaleur de l'eau de refroidissement d'un process => chauffage; Récupération de la chaleur sur les compresseurs d'air => chauffage; 11

Situations les plus courantes (2/2) Récupération de la chaleur sensible de surchauffe du fluide frigorigène à la sortie des compresseurs de groupes frigorifiques => chauffage; Cogénération : récupération de la chaleur de l'eau de refroidissement du moteur et des gaz d'échappement (deux niveaux de T ) => chauffage; Récupération de l'eau chaude en industrie alimentaire => deuxième utilisation "en cascade". 12

Récupération sur les fumées (1/10) 13

Récupération sur les fumées (3/10) Notion de rendement de combustion : Rendement de combustion = 1- (Perte Fumées Récupération) Energie payée (brûleurs) 15

Récupération sur les fumées (5/10) Exemple concret : sidérurgie, four de réchauffage avant laminage 17

Récupération sur les fumées (6/10) Exemple concret : sidérurgie, four de réchauffage avant laminage Récupérateur ancien : air préchauffé à 200 C en moyenne Consommation annuelle de gaz naturel : environ 26 000 000 Nm³/an Nouveau récupérateur : air préchauffé à 400 C en moyenne Gain réalisable : 10% de la consommation soit environ 770 000 /an Coût de l'investissement : environ 900 000 /an Temps de retour sur investissement : environ 1.2 ans! Mais, il y a un mais! 18

Récupération sur les fumées (7/10) Exemple concret : sidérurgie, four de réchauffage avant laminage Mais toutes les fumées ne passent pas par le récupérateur (problème de maîtrise de la pression dans la chambre du four)! T constatée à la mise en service du nouveau récupérateur : 300 C en moyenne. Temps de retour sur investissement dans ce cas : 2.4 ans! 19

Récupération sur les fumées (8/10) Il n'y a pas que la récupération par un échangeur centralisé. Autres techniques : brûleurs auto-récupérateurs (par ex. fumées à 1000 C - air à 650 C) 20

Récupération sur les fumées (9/10) Il n'y a pas que la récupération par un échangeur centralisé. Autres techniques : brûleurs régénératifs (par ex. fumées à 1250 C - air à plus de 1000 C - NOx => combustion sans flamme) 21

Récupération sur les fumées (10/10) Il n'y a pas que la récupération par un échangeur centralisé. Autres techniques : chaudière de récupération à vapeur (pour le process ou le préchauffage de fuel lourd par exemple) 22

Récupération sur les sécheurs (1/7) D'abord recirculer au maximum c'est-à-dire laisser monter l'humidité de l'air extrait (!) Ensuite récupérer sur l'air extrait en préchauffant l'air neuf Dans ce cas, on condense l'humidité de l'air extrait dans le récupérateur; Grand potentiel de récupération (condensation) mais basse T. 23

Récupération sur les sécheurs (2/7) Potentiel air sec : 10 000 Nm³/h à 80 C et 10 g d'eau/kg air sec (= atm.) de l'ordre de 200 kw Potentiel air humide : 10 000 Nm³/h à 80 C et 200 g/kg air sec (extraction) Plus de 1100 kw soit 5 fois plus! 24

Récupération sur les sécheurs (3/7) 25

Récupération sur les sécheurs (7/7) Exemple concret chez Burgo Ardennes: Récupération des calories sur air extrait en sécherie papier pour réchauffer de l'eau glycolée Avant : L'eau glycolée était en boucle et était chauffée par de la vapeur Proposition : Placer un échangeur air/eau sur la hotte du sécheur pour chauffer l eau glycolée Gain : 22 000 GJ/an de vapeur (= 127 000 /an) Coût de l'investissement : environ 250 000 /an Temps de retour sur investissement : environ 2 ans 29

Récupération sur grosses chaudières (1/2) Préchauffage de l'eau d'appoint ou de l'air comburant : 30

Récupération sur grosses chaudières (2/2) Exemple concret : Préchauffage de l air de combustion sur un four industriel (sidérurgie) : Données : préchauffage de l air de combustion de 20 C à 400 C (température des fumées à 900 C) ; consommation gaz du four : 235 000 GJi, soit 6,4 MNm³ de gaz (PCI = 36500 kj/nm³) ; Gains énergétiques : besoin en air de combustion : si excès d air de 10%, 71 MNm³d air ; gain sur la consommation de gaz nécessaire à chauffer l air de combustion : ~30000 GJi, soit ~330 K (11 /GJi ou 40 /MWh) investissements pour récupérateur et modification cheminée estimé 1100 000 ; PBT : 3,5 ans. 31

Récupération en HVAC (1/1) 32

Récupération sur compresseurs (1/4) Exemple concret chez Kingspan: Récupération de la chaleur d'un compresseur d'air : air chaud pulsé dans le bâtiment en hiver On devine la vanne qui permet d'évacuer la chaleur à l'extérieur du bâtiment en été. La conduite verticale est évidemment la "cheminée" qui envoie l'air chaud dans le bâtiment. 33

Récupération sur compresseurs (2/4) Récupération de la chaleur d'un compresseur d'air : air chaud pulsé dans le bâtiment en hiver : Données Puissances électrique des compresseurs : 75 kw ; Consommation annuelle : 130 000 kwh ; Chaleur récupérable estimée à 75% de la consommation électrique ; Superficie des surfaces à chauffer : 2000 m² ; Besoin en chauffage des halls : 110 kwh/m²/an ; Période de chauffe : 150 jours/an ; Rendement de la chaudière actuelle : 80% Estimation des gains énergétiques : Besoin annuel en chaleur: 220 000 kwh/an Puissance récupérable sur les compresseurs : 130 000 * 0,75 / 365*150 = 54000 kwh. Gain lié à la récupération de chaleur des compresseurs : 54 000 / 0,8 = 67 500 kwh/an, soit 2700 /an ; Investissements : gainages vers le hall à chauffer estimés à 3000 PBT : 1 an 34

Récupération sur compresseurs (3/4) Dans le cas d'un groupe frigorifique, on prépare de l'air chaud en récupérant la surchauffe du fluide frigorigène à la sortie du compresseur : Données : Groupe de froid d'une puissance électrique de 200 kw ; Temps de fonctionnement du groupe : 16h par jour (365j/an) ; Chauffage d eau de 10 C à 40 C Débit d eau de 80 m³/jour Rendement de la chaudière actuelle : 85% Période de récupération de chaleur : 150 j/an (période hivernale) Estimation des gains énergétiques : Puissance thermique de 175 kw à récupérer sur le compresseur (80000 * 4.186 * 30 / 3600 / 16) Gain sur le chauffage de l eau : (175/0,85) * 16 * 150 = 495 MWh/an, soit 19800 /an (40 /MWh) ; Investissements pour boiler, conduites calorifugées, aérothermes, MO estimés à 70 000 ; PBT : 3,5 ans 35

Récupération sur compresseurs (4/4) Récupération de la chaleur de surchauffe pour l'ecs, l'eau lave bacs (eau à 40 C) Puissance des compresseurs: 200 kwe Investissement: 10 000 gain énergétique estimé: 44 210 kwh/an Temps de retour de 3.5 ans 36

Récupération sur eau de refroidissement process (1/2) Récupération sur l'eau de refroidissement des chenets d'un four de réchauffage avant laminage : Chauffage urbain de la Ville de Châtelet. 37

Récupération sur eau de refroidissement process (2/2) Dans le cas du four ci-dessus : 7 à 9% de la puissance thermique des brûleurs, en régime, sont dissipés par l'eau de refroidissement des chenets. T d'entrée de l'eau dans les chenets : environ 85 C T de sortie de l'eau au retour des chenets : environ 87 88 C Soit une différence de T de l'ordre de 2.5 C pour un débit total de 1300 m³/h ce qui correspond à une "chaudière" de 3,8 MW! Correspond au chauffage de 760 maisons (= 20 000 kwh/an/maison) 38

Récupération de l'eau de lavage ("NEP") (1/1) Exemple concret chez Kraft Foods : Proposition : La dernière eau de rinçage après nettoyage de cuves alimentaires est utilisée comme 1ère eau de nettoyage au cycle suivant. Consommation annuelle d eau : environ 138 000 m³/an Gain en eau chaude : 5 500 m³/an, soit 4% de la consommation Gain en chaleur négligé car l'eau de rinçage primaire est déjà chauffée par les cuiseurs. Gain électrique : 33 755 kwh/an, soit 2 700 Coût de l'investissement : 8 000 /an Temps de retour sur investissement : environ 3 ans 39

Récupération de la chaleur du moult pour le préchauffage de l eau des brassins. (1/1) Exemple concret à la brasserie St Feuillien : Les calories du moult sont récupérées pour préchauffer l'eau des brassins Actuellement l eau froide des brassins (6500 litres par brassin et 270 brassins par an) est chauffée à 85 C Proposition : l eau de refroidissement du moult préchauffe l eau des brassins à 50-60 C Economies de gaz naturel : environ 113 000 GJs/an (= 4000 ) Coût de l'investissement : environ 25 000 /an Temps de retour sur investissement : environ 5 ans 40

Récapitulatif des actions possibles Récupération sur les fumées : four de réchauffage avant laminage > 10 % de la consommation Récupération sur les sécheurs récupération sur air extrait en sécherie papier > PBT = 2 ans Récupération sur grosses chaudières > PBT = 3.5 ans Récupération sur compresseurs Récupération de la chaleur d'un compresseur d'air pour pulser l air chaud dans le bâtiment > PBT = 1 ans Récupération de la surchauffe du fluide frigorigène d un groupe frigorifique > PBT = 3.5 ans Récupération de la chaleur de surchauffe pour l'ecs > PBT = 1 ans Récupération de l'eau de lavage ("NEP") > 4 % de la consommation Récupération des calories du moult > PBT = 5 ans 41

Plus d infos? «Les récupérations de chaleur dans le process» www.energie.wallonie.be > Professionnels > Entreprises, industries > Cahiers techniques sectoriels / les récupérations de chaleur, (PDF-6382 ko)

Plus d infos? Facilitateur URE Process Numéro vert : 0800 97 333 Emails: facilitateur.ure.process@3j-consult.com facilitateur.ure.process@ccilb.be 43