Valorisation des rejets de chaleur en interne et
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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 Vincent Lemort Laboratoire de Systèmes Energétiques de l’ULg Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 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 Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 2 Introduction Potentiel de récupération de chaleur 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 Puissances mises en jeu: débits, cp, 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 Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 3 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 Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 4 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 Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 5 Un peu de thermodynamique… Pompes à chaleur à compression de vapeur TH QH W Gaz PAC à compression de vapeur Q COP = H W ηII = Limite technique = performances des composants (ordre de grandeur: 0.5) design régulation COPcarnot = TL (rejets) Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique [ kW] = h × COP II carnot kW [ ] TH = Limite thermodynamique TH - TL nature des sources chaude/froide design des systèmes secondaires (émetteurs) 6 Un peu de thermodynamique… Pompes à chaleur à absorption 50-70°C TM QM TH Q COP = M QH PAC à absorption (rejets) [ kW] [ kW] Ordre de grandeur: 1.3-1.7 (en production de chaleur) QH 160°C QL TL (rejets) Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 30-40°C 7 Un peu de thermodynamique… Cycles de Rankine organiques TH W [ kW] h = = hII × hcarnot Q H [ kW] (rejets) QH Avec hcarnot =1- TL TH ORC 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 TL Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 8 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 Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 9 Organic Rankine Cycles La machine et le cycle Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 10 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 Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 11 Organic Rankine Cycles Différences par rapport au cycle à vapeur (Source: ORMAT) Cycle de Rankine conventionnel: Cycle de Rankine organique: Production électricité centralisée (>50MWe) Production électricité décentralisée Source à haute température Source à plus basse température: solaire, biomasse, récupération chaleur Fluide de travail: eau Fluide de travail: réfrigérant, hydrocarbure Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 12 Organic Rankine Cycles Récupération dans une cimenterie aaa Example: Lengfurt, Germany - 8.2 MW are recovered from the clinker cooler air (supply/exhaust temperatures: 275/125°C; flow rate: 150,000 Nm3/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 Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 13 Organic Rankine Cycles Récupération sur un cubilot de fonderie Cuppola furnace Flue gases at 200°C ORC: 870 kWe Source Enertime 5.6 MWth récupérés hors de gaz de combustion Puissance électrique nette: 870 kWe 30 % de la consommation électrique de l’usine peut être couverte par l’ORC Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 14 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 16930 MWhe, avec un rendement moyen de 15.8% Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 15 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) Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 16 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 Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 17 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 Source: McQuay aaa Source: Baltimore Aircoil Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 18 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 Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 19 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) Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 20 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 Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 21 Réseaux de chaleur Intégration des solutions vues précédemment ORC biomasse ORC sur incinérateur de déchets ORC géothermique Chaufferie Rejets de chaleur Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique PAC: T < 50°C PAC absorption: 100 < T < 180°C Échangeur: 50 < T < 100°C ORC: 150 < T < 300°C 22 Réseaux de chaleur Pistes de R&D Utilisation de pompes à chaleur en rehausse de température PAC Température PAC Distance Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 23 Réseaux de chaleur Pistes de R&D Clim Clim PAC PAC PAC Chaufferie Réseau de chaleur à basse température (15-20°C) Tour refroidissement Rivière serre Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique rejets Aquifère Géothermie 24 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, 2011 Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 25 Merci pour votre attention! Pour plus d’informations: [email protected] Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique 26
