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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.
Avec le soutien de :
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
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
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
Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique
IntroducCon Objec&fs de la présenta&on
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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)
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
Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique
Un peu de thermodynamique… Pompes à chaleur à compression de vapeur
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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 =QHW
kW[ ]kW[ ]
=ηII ⋅COPcarnot
W
(rejets)
Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique
Un peu de thermodynamique… Pompes à chaleur à absorp&on
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PAC à absorpCon
COP =QMQH
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
Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique
Un peu de thermodynamique… Cycles de Rankine organiques
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ORC
QH
TL
TH
W
(rejets) η =
WQH
kW[ ]kW[ ]
=ηII ⋅ηcarnot
Avec ηcarnot =1−TLTH
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
Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique
Contenu de la présentaCon
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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
Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique
Organic Rankine Cycles La machine et le cycle
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Vincent Lemort Laboratoire de Thermodynamique
Organic Rankine Cycles Un peu d’histoire…
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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
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Organic Rankine Cycles Différences par rapport au cycle à vapeur
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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
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Organic Rankine Cycles Différences par rapport au cycle à vapeur
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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
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Organic Rankine Cycles Evolu&on du marché
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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%
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Organic Rankine Cycles Choix du fluide de travail
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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.)
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Organic Rankine Cycles Récupéra&on dans une cimenterie
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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)
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Organic Rankine Cycles Récupéra&on dans une cimenterie
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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
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Organic Rankine Cycles Récupéra&on sur un cubilot de fonderie
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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
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Organic Rankine Cycles Autres applica&ons sidérurgiques
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Organic Rankine Cycles Sta&ons de recompression du gaz naturel
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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
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Organic Rankine Cycles Récupéra&on sur un incinérateur de déchets
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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
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Organic Rankine Cycles Récupéra&on sur moteurs à combus&on interne -‐ voitures
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(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
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Organic Rankine Cycles Récupéra&on sur moteurs à combus&on interne -‐ camions
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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
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Organic Rankine Cycles Récupéra&on sur moteurs à combus&on interne -‐ bâteaux
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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
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Organic Rankine Cycles Centrales cogénéra&on biomasse
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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)
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Organic Rankine Cycles Solaire thermique
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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%
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Organic Rankine Cycles Solaire thermique
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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.
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Organic Rankine Cycles Géothermie
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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
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Contenu de la présentaCon
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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
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Pompes à chaleur à compression de vapeur Chaleur rejetées par les machines frigorifiques
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aaa
Source: McQuay
Source: IEA ECBCS Annex 48
Source: Bal&more Aircoil
Tirer profit des demandes dimultanées de chaud/froid
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Pompes à chaleur à compression de vapeur Banc de tests de moteurs d’avions
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² Puissance thermique disponible sur banc d’essai
² ValorisaCon au moyen de pompes à chaleur
Power≈46 [MW] T ≈ 60 [°C]
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Pompes à chaleur à compression de vapeur Transformateurs
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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)
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Pompes à chaleur à absorpCon Raffinerie de cuivre
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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
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Conclusions & perspecCves Conclusions
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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
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Conclusions & perspecCves Pistes de R&D
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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
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Conclusions & perspecCves Pistes de R&D
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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
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Conclusions & perspecCves Pistes de R&D
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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)
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Merci pour votre a_en0on!
Pour plus d’informaCons: Vincent.lemort@ulg.ac.be
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