Vendredi 23 mai
La valorisation des rejets de chaleur :
potentiels et études de cas
Vincent LEMORT, ULg - Thermodynamics a...
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La valorisation des rejets de chaleur : potentiels et études de cas par Vincent Lemort | Liege Creative, 23.05.14

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Dans le cadre du cycle de conférences "Génie Energétique Durable" organisé en collaboration avec HELMo Gramme.
Nombreux sont les machines et systèmes thermiques et les procédés industriels qui rejettent de la chaleur jusqu’à présent non-exploitée en raison des faibles niveaux de températures et/ou puissances mises en jeu.
Le Cycle de Rankine Organique (ORC) apparaît comme une solution particulièrement adaptée à la valorisation de ces rejets de chaleur. Des produits techniquement matures sont actuellement disponibles sur le marché. Toutefois, les ORC font actuellement l’objet d’intenses travaux de R&D, notamment afin de fournir des modules de petites puissances et des solutions adaptées à la récupération de chaleur.

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La valorisation des rejets de chaleur : potentiels et études de cas par Vincent Lemort | Liege Creative, 23.05.14

  1. 1. Vendredi 23 mai La valorisation des rejets de chaleur : potentiels et études de cas Vincent LEMORT, ULg - Thermodynamics and Energetics Laboratory Dans le cadre du cycle de conférences "Génie Energétique Durable" en collaboration avec HELMo Gramme.
  2. 2. Avec le soutien de :
  3. 3. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   La  valorisa0on  des  rejets  de   chaleur  :  poten0els  et  études  de  cas     LIÈGE  CREATIVE   Liège  –  23  mai  2014     Vincent  Lemort   Laboratoire  de  Thermodynamique  de  l’ULg    
  4. 4. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   IntroducCon   Poten&el  de  récupéra&on  de  chaleur   2   “Waste  heat  (“chaleur  fatale”)  is  heat  which  is  generated  in  a  process  but   then  “dumped”  to  the  environment  even  though  it  could  sCll  be  reused  for   some  useful  and  economic  purpose”  (GoldsCck  and  Thumann,  1983)   Source:  Ener&me  
  5. 5. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   IntroducCon   Poten&el  de  récupéra&on  de  chaleur   3   Les  rejets  de  chaleur  se  différencient  par:   ²  L’état  de  la  source:  solide/  liquide/  gaz   ²  Les  caractérisCques  de  la  source:   environnement  corrosif,  t°  min  après   extracCon   ²  Puissances  mises  en  jeu:  débits,  cp,  diff.  de  t°   ²  Niveaux  de  températures  («  thermal  grade  »)   ²  Des  profils  temporels  de  la  source  de  chaleur   (fluctuaCons)   Rejets  de  chaleur  hors  d’un  moteur   turbochargé  avec  EGR   Air  en  sor&e  d’un  refroidisseur  de  clinkers  
  6. 6. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   IntroducCon   Objec&fs  de  la  présenta&on   4   ²  Présenter  l’état  de  l’art  dans  les  domaines  de  3  techniques  de  valorisaCon  de  rejets  de     chaleur:  les  ORC,  les  PAC  à  compression  de  vapeur  et  dans  une  moindre  mesure  les  PAC   à  absorpCon   ²  Lister/décrire  une  série  d’études  de  cas   ²  Présenter  quelques  pistes  de  recherche  et  développement  (à  l’ULg)  
  7. 7. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Contenu  de  la  présentaCon   5   1.  IntroducCon   2.  Un  peu  de  thermodynamique   3.  ORC   4.  Pompes  à  chaleur  à  compression  de  vapeur   5.  Pompes  à  chaleur  à  absorpCon   6.  Conclusions  &  perspecCves  
  8. 8. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Un  peu  de  thermodynamique…   Pompes  à  chaleur  à  compression  de  vapeur   6   PAC  à   compression  de   vapeur  Gaz   QH COPcarnot = TH TH − TL ηII  =  Limite  technique   =  performances  des  composants   (ordre  de  grandeur:  0.5)   ⇒   design   ⇒   régulaCon   ⇒ nature  des  sources  chaude/froide   ⇒   design  des  systèmes  secondaires  (émemeurs)   =  Limite  thermodynamique   TL   TH   COP = QH W kW[ ] kW[ ] =ηII ⋅COPcarnot W (rejets)  
  9. 9. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Un  peu  de  thermodynamique…   Pompes  à  chaleur  à  absorp&on   7   PAC  à   absorpCon   COP = QM QH kW[ ] kW[ ] TL   TM   TH   QM QH QL Ordre  de  grandeur:  1.3-­‐1.7  (en   producCon  de  chaleur)   (rejets)   (rejets)   160°C   30-­‐40°C   50-­‐70°C  
  10. 10. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Un  peu  de  thermodynamique…   Cycles  de  Rankine  organiques   8   ORC   QH TL   TH   W (rejets)   η = W QH kW[ ] kW[ ] =ηII ⋅ηcarnot Avec     ηcarnot =1− TL TH 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  
  11. 11. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Contenu  de  la  présentaCon   9   1.  IntroducCon   2.  Un  peu  de  thermodynamique   3.  ORC   4.  Pompes  à  chaleur  à  compression  de  vapeur   5.  Pompes  à  chaleur  à  absorpCon   6.  Conclusions  &  perspecCves  
  12. 12. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   La  machine  et  le  cycle   10  
  13. 13. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Un  peu  d’histoire…   11   ²  Première  menCon  des  ORC  en  1823  (Sir  Humprey   Davis)   ²  ≈  1880:  Premiers  développement  des  systèmes  ORC,   avec  des  barges  propulsées  par  des  moteurs  au   naphta,  comme  alternaCve  aux  moteurs  à  vapeur.   Ces  derniers  requéraient  la  présence  d’un  ingénieur   à  bord  pour  limiter  le  risque  d’explosion.   ²  1967:  une  centrale  géothermique  de  670  kWe  est   mise  en  opéraCon  en  Russie   ²  Recherche  intensive  durant  la  période  1970-­‐80   ²  ApplicaCons  solaires   ²  Camions  long-­‐rouCers,  navires   ²  Regain  d’intérêt  dans  les  années  1990  
  14. 14. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Différences  par  rapport  au  cycle  à  vapeur   12   ü   En  récupéraCon/cogen,  systèmes  ORC  :   économiquement  plus  rentable  que  les  cycles  à   vapeur  pour  des  puissances  inférieures  à  3-­‐5MWe   (système  opCmisé/construit  en  usine,  pas  d’unité  de  taitement   d’eau,  pas  de  problème  de  contrôle  surchauffe,  pression  plus  faibles  )   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’infiltra0on)   ü   Fluides  secs  =>  pas  de  risque  d’endommagement   de  la  turbine  
  15. 15. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Différences  par  rapport  au  cycle  à  vapeur   13       Cycle  de  Rankine  convenConnel:     ü   ProducCon  électricité  centralisée  (>50MWe)   ü   Source  à  haute  température   ü   Fluide  de  travail:  eau   (Source:  ORMAT)   Cycle  de  Rankine  organique:     ü   ProducCon  électricité  décentralisée   ü   Source  à  plus  basse  température:  solaire,   biomasse,  récupéraCon  chaleur   ü   Fluide  de  travail:  réfrigérant,  hydrocarbure  
  16. 16. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Evolu&on  du  marché   14   ü   Encore  peu  d’applicaCons  solaire   ü   Maturité  technique  >50  kWe   ü   Puissances  <50  kWe:  principalement  en   phase  de  R&D   ü   Marché  en  pleine  expansion   ü 3  marchés  importants:     Ø   RécupéraCon  de  chaleur  (WHR):  20%   Ø   CogénéraCon  biomasse  (CHP):  57%   Ø   Géothermie:  22%  
  17. 17. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Choix  du  fluide  de  travail   15   Le  choix  du  fluide  de  travail  est  une  des   étapes  les  plus  importantes  lors  de  la   concepCon  d’un  ORC   ü  Performances  thermodynamiques   élevées   ü  Pente  posiCve  ou  “isentropique”  de   la  courbe  de  vapeur  saturée   ü  Densité  de  la  vapeur  élevée  et  faible   rapport  de  volume   ü  En  surpression  au  condenseur   ü  Pressions  acceptables   ü  Backwork  raCo   ü  Grande  disponibilité  et  coût  modéré   ü  Faible  impact  environnemental    et   niveau  de  sécurité  élevé  (ODP,  GWP,   etc.)  
  18. 18. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Récupéra&on  dans  une  cimenterie   16   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)”     o  En  2006,  l’industrie  cimenCère  a  consommé  9.6  EJ   d’énergie  finale  totale,  8%  de  la  consommaCon   énergéCque  industrielle  mondiale  et  était  responsable   de  26%  des  émissions  directes  de  CO2  en  industrie”     o  La  producCon  de  ciment  est  parCculièrement   énergivore:  2.9  GJ  à  4.7GJ  d’énergie  finale  (incluant   l’électricité)  par  tonne  de  ciment  produite.  La   producCon  des  clinkers  est  le  poste  le  plus   consommateur.   o  L’énergie  représente  de  20  à  40%  du  coût  de   producCon.   Aluminum   2%   Cement   26%   Chemicals   17%   Iron  and  steel   30%   Pulp  and   paper   2%   Other   23%   Emissions  directes  de  CO2  dans   l’industrie,  par  secteur  en  2006  (IEA,   2009)    
  19. 19. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Récupéra&on  dans  une  cimenterie   17   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,  operaCng   with  pentane,  generates  1.3   MWe,  what  represents  12%  of   the  plant  electrical   consumpCon.   Source:  ORMAT  
  20. 20. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Récupéra&on  sur  un  cubilot  de  fonderie   18   Cuppola  furnace   Flue  gases  at   200°C   ORC:  870  kWe   ²  5.6  MWth  récupérés  hors  de  gaz  de  combusCon   ²  Puissance  électrique  neme:  870  kWe   ²  30  %  de  la  consommaCon  électrique  de  l’usine  peut  être  couverte  par  l’ORC   Source  Ener&me  
  21. 21. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Autres  applica&ons  sidérurgiques   19  
  22. 22. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Sta&ons  de  recompression  du  gaz  naturel   20   ²  Turbines  à  gaz  tous  les  100-­‐200   km  pour  entraîner  les   compresseurs   ²  Gaz  d’échappement  à  haute   température   Source:  Campana  et  al.,  ORC  waste  heat  recovery  in  European  energy  intensive  industries:  Energy  and  GHG  savings   ²  ORC:  potenCel  de  2705  MW  de  puissance   brute  installée   ²  21.6  TWh  par  an  de  producCon  d’électricité   ²  ~2%  de  la  consommaCon  industrielle   européenne   ²  Taille  du  marché:  8  à  9  milliards  d’EUR  
  23. 23. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Récupéra&on  sur  un  incinérateur  de  déchets   21   ²  Incinérateur  à  Roeselare,  Belgique   ²  La  chaleur  des  gaz  de  combusCon  récupérée  au  moyen  d’une  boucle  d’eau  pressurisée  à   175°C  (boucle  alimente  une  serre,  des  bâCments  et  un  ORC  de  3MWe)   ²  En  2011,  l’ORC  a  été  uClisé  8364  heures,  a  produit  16930  MWhe,  avec  un  rendement   moyen  de  15.8%   Source:  Mirom  
  24. 24. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Récupéra&on  sur  moteurs  à  combus&on  interne  -­‐  voitures   22   (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:  300-­‐900°C  et  T°  circuit  refroidissement:  80-­‐90°C   ²  Fluide:  eau,  eau  +  éthanol   ²  Technologie  concurrente:  thermoélectricité  
  25. 25. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Récupéra&on  sur  moteurs  à  combus&on  interne  -­‐  camions   23   Exemple:  US10  11  liter  385  HP  engine   •  10  kW  puissance  mécanique   •  6-­‐8%  de  réducCon  de  consommaCon  diesel     Problèmes  rencontrés:   ²  Rejet  de  chaleur  au  condenseur   ²  ConsommaCon  de  la  puissance  électrique  produite   ²  RégulaCon   Source:  Nowaste  FP7  project  
  26. 26. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Récupéra&on  sur  moteurs  à  combus&on  interne  -­‐  bâteaux   24   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.     ²  Dans  les  systèmes  de  récupéraCon  de  chaleur   actuellement  uClisés,  la  température  est  limitée  à   180°C  pour  éviter  tout  risque  de  condensaCon   acide.   Sea-­‐going  vessel   ORC:  500  kWe   Source:  OPCON   Moteur  de  navire  de  15  MW  
  27. 27. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Centrales  cogénéra&on  biomasse   25   ü  47%  des  systèmes  installé,  5.8%   puissance  installée  (88  MWe)   ü  450  kWe  –  2.5  MWe   ü  Bois,  résidus  agricoles/scieries=>     •  combusCon  externe:  ORC  ou   SCrling     •  GazéificaCon   ü  Eta=15-­‐20%   ü  Cogénéra0on:     •  Condenseur:  eau  à  70-­‐90C   •  chauffage  urbain  ou  séchage  bois/ pellet   ü  Possibilité  de  µ-­‐cogénéraCon  (<50  kWe)  
  28. 28. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Solaire  thermique   26   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. 29. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Solaire  thermique   27   Performance  parameter   Value   Unit   Highest  expander  isentropic  efficiency   68   %   Lowest  expander  filling  factor   105   %   Highest  cycle  efficiency   4.5   %   Highest  expander  power  generaCon   1780   W   Highest  ORC  net  power  generaCon   915   W   35  kW   ²  Après  amélioraCon  du  banc,  le   rendement  amendu  est  de  8-­‐9  %   ²  Assemblage  de  l’ensemble  de  la   centrale  ceme  année.  
  30. 30. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Organic  Rankine  Cycles   Géothermie   28   Exemple:  Centrale  de  Soultz-­‐ sous-­‐Forêts   •  Puits  d’extracCon:  5  km   •  1.5  MWe   •  Fluide  géothermique:   175°C   •  Fluide  ORC:  iso-­‐butane   ²  En  présence  d’un  faible  Ctre  en  vapeur/faible   température,  ORC  plus  performant  et  rentable   que  cycle  flash   ²  Limite  inférieure:  80-­‐85°C   ²  A  haute  température  (150°C),  possibilité  de  CHP   ²  Centrale  de  95  MWe  en  construcCon  
  31. 31. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Contenu  de  la  présentaCon   29   1.  IntroducCon   2.  Un  peu  de  thermodynamique   3.  ORC   4.  Pompes  à  chaleur  à  compression  de  vapeur   5.  Pompes  à  chaleur  à  absorpCon   6.  Conclusions  &  perspecCves  
  32. 32. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Pompes  à  chaleur  à  compression  de  vapeur   Chaleur  rejetées  par  les  machines  frigorifiques   30   aaa     Source:  McQuay   Source:  IEA  ECBCS  Annex  48   Source:  Bal&more  Aircoil   Tirer  profit  des  demandes   dimultanées  de  chaud/froid  
  33. 33. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Pompes  à  chaleur  à  compression  de  vapeur   Banc  de  tests  de  moteurs  d’avions   31   ²   Puissance  thermique  disponible  sur  banc  d’essai   ²   ValorisaCon  au  moyen  de  pompes  à  chaleur   Power≈46  [MW]    T  ≈  60  [°C]  
  34. 34. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Pompes  à  chaleur  à  compression  de  vapeur   Transformateurs   32   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)      
  35. 35. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Pompes  à  chaleur  à  absorpCon   Raffinerie  de  cuivre   33   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,  iniCalement  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. 36. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Conclusions  &  perspecCves   Conclusions   34   Source:  adapted  from  Gaia,  2011   VAPOR  COMP.  HEAT  PUMP   ABS.  HEAT  PUMP   ²  L’ORC  permet  de  valoriser  une  mulCtude  de  sources  de  chaleur,  notamment  la  chaleur   «  fatale  »   ²  Les  pompes  à  chaleur  sont  des  technologies  complémentaires  
  37. 37. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Conclusions  &  perspecCves   Pistes  de  R&D   35   ORC   ²  Développement  de  machines  de  détente  et  de   pompes  de  peCtes  puissances  (ORC<50kWe)   ²  Développement  d’échangeurs  de  chaleur  adaptés   (faible  pincement,  milieu  corosif)   ²  Développement  de  modules  intégrés  (pompe,   génératrice,  turbine):  gain  de  25%  sur  la  puissance   pour  des  ORC  <10kWe     ²  Stratégies  de  régulaCon  opCmales      
  38. 38. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Conclusions  &  perspecCves   Pistes  de  R&D   36   ORC  et  PAC   ²  Développement  de  «  nouveaux  »  fluides  et  uClisaCon  de  mélanges  de  fluides  (hmp:// coolprop.sourceforge.net)   ²  Stratégies  de  régulaCon  (sources  parfois  fortement  transitoire)  (www.thermocycle.net)   Contrôle traditionnel Contrôle optimisé Ø  DéfiniCon  de  stratégies  opCmales  passe  par  la  simulaCon  dynamique  
  39. 39. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   Conclusions  &  perspecCves   Pistes  de  R&D   37   ²  Développement  de  PAC/ORC  réversibles   Source:  Innogie  et  ULg   1er  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)      
  40. 40. Vincent  Lemort   Laboratoire  de   Thermodynamique   38   Merci  pour  votre  a_en0on!   Pour  plus  d’informaCons:   Vincent.lemort@ulg.ac.be      
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