optimisation énergétique globale des sites industriels : opportunités de valorisation des...

Mardi 31 Mars

Optimisation énergétique globale des sites industriels : opportunités de valorisation des énergies fatales

Jean JOUET, CMI – CMI Industry Patrick DUBOIS, CMI Industry

Avec le soutien de :

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Optimisation énergétique Globale des sites industriels Opportunités de valorisation des énergies fatales Ludovic FERRAND, CMI Industry Energy Efficiency Jean JOUET, Président CMI Industry

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CMI Energy Efficiency

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§  Une équipe d’experts pour l’Industrie: §  en process thermiques, §  Chauffage haute & basse température §  Froid positif & négatif,

§  en valorisation de chaleur fatale, §  en utilités.

§  Audits, Conception, Réalisation §  Simulations & Mesures

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Quel rôle pour l’efficacité énergétique ?

§  L’Efficacité Energétique a et aura un rôle Majeur : §  dans le défi de l’effet de

serre §  pour contrer la volatilité du

coût des énergies §  pour améliorer la

compétitivité des industries pénalisées par leur coût énergie

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Source : WEO 2014

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Cadre Européen sur le Climat-Energie

§  Plan Climat-Energie Européen 2008 : Fixe les objectifs 2020 §  20 % d’énergie renouvelable §  20 % d’économie d’énergie §  20 % de réduction des GES

§  Révision en octobre 2014 : de nouveaux objectifs pour 2030 §  Energies renouvelables : 20 % => +27 % §  Efficacité énergétique : 20 % => +27 % §  Réduction des émissions de GES : 20% => +40%

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Vue d’ensemble des gisements d’efficacité énergétique

§  Dans l’Industrie, une meilleure utilisation de l’énergie primaire reste un enjeux énorme

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Quelles industries concernées

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§  Les transformateurs de matière première sont logiquement en première ligne pour la valorisation de chaleur perdue

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Diversité des équipements thermiques

§  Les niveaux de température sont très divers §  Les gisements de chaleur non valorisée concernent

tout le spectre 7 31/03/15

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Définition de la Chaleur ou Energie Fatale

§  Regroupe toutes les productions de chaleur dérivées d’un site industriel, qui n’en constitue pas l’objet premier

§  De fait, elle n’est pas forcément récupérée pour valorisation §  Fumées chaudes en cheminées §  Eaux de refroidissement §  Solides chauds en sortie de process §  …

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Place de la valorisation des chaleur fatales

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§  La valorisation de la chaleur fatale est un gisement : §  Très significatif §  Et largement sous-exploité !

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Méthodologie Générale

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Groupe de process thermiques et ses utilités

Bonnes Pratiques Chasse au Gaspi Actions d’Optimisation

Revalorisation des énergies fatales dans le

périmètre usine

Revalorisation des énergies fatales hors

périmètre usine

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Matrice de décision associée

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 VALORISATION  DE  CHALEUR  HORS  

PÉRIMÈTRE  USINE    

 OPTIMISATION  DES  ÉQUIPEMENTS  

 VALORISATION  DE  CHALEUR  DANS  LE  PÉRIMETRE  USINE  

Niveau  d’engagement  

Complexité  

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BONNES  PRATIQUES  

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Bonnes pratiques et chasse au gaspillage énergétique

§  Les trouvailles de gisements sont systématiques, parfois très importants

§  La « conscience énergétique » fait son chemin, et est portée par plusieurs facteurs : §  La diffusion de la norme ISO50001 §  Les audits énergétiques règlementaires, norme

EN16247 §  L’implication du management dans les actions

d’efficacité énergétique, et sa mise en place dans l’organisation

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Bonnes pratiques et chasse au gaspillage énergétique

§  Les freins à la mise en place sont liés principalement aux organisations : §  Focalisation sur le cœur de métier, la Qualité avant tout! §  Tendance à optimiser les coûts de maintenance à court

terme, au détriment des gains moyens et long terme §  Difficulté à verrouiller et pérenniser les gains sur le long

terme, le maintien des bonnes pratiques est une lutte de tous les jours.

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Illustration sur quelques exemples

§  Exemple typique de déperdition significatives : ouvertures de porte sur enceintes haute température

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Illustration sur quelques exemples

§  Exemple de chasse au fuites air comprimé dans une moyenne industrie §  Fuites mesurées lors d’une fermeture site un

dimanche : 1290 MWh/ an, soit 45% de la consommation totale d’air comprimé !

§  20% sont facilement éliminables, actions de réparation maintenance

§  Un investissement faible pour des gains immédiats

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Optimisation énergétique des process

§  Le process thermique est souvent un élément important de la qualité des produits manufacturés

§  Sa consommation d’énergie peut typiquement être optimisées, mais jamais au détriment de la qualité

§  Un bon niveau d’expertise est donc requis pour « toucher » au process en vue de réduire ses déperditions

§  Objectif : conserver le maximum d’énergie primaire en Energie Utile, et donc minimiser la chaleur fatale

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Quels outils pour l’optimisation des process

§  Depuis 1997, l’Europe organise l’échange d’information via des rapports en libre accès

§  Objectif : promouvoir la diffusion des Meilleures Techniques Disponibles dans l’Industrie

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Exemple : contrôle avancé du process

§  Le contrôle avancé consiste à : §  donner le juste nécessaire

d’énergie §  Tout en préservant les

objectifs qualité §  Basé sur des modèles

physiques §  Typiquement 10 à 20%

d’économie d’énergie 18

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Exemple : optimisation d’échangeur interne process

§  L’expertise des conditions de fonctionnement permet de transformer l’énergie fatale en énergie utile

§  Simplement par redimensionnement d’échangeur

§  Sur une installation de l’ordre de 50MW de consommation gaz, les gains se comptent en Dizaines de GWh valorisés par an.

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Exemple : variation de vitesse sur moteur

§  Les machines tournantes ont une consommation d’énergie importante, pour les hautes pressions / hauts débits

§  Ordre de grandeur : §  100.000 Nm3/h à 100mbar ≈ 450kWe !

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Exemple : variation de vitesse sur moteur

§  Implémenter une variation de vitesse des moteurs, couplé à un contrôle optimisé, permet de ne pas dissiper de l’énergie fatale

§  Retour d’expérience concret : §  Avant opération : 4MWhe / jour §  Après opération : 2.56MWhe/jour

§  Gain sur l’énergie fatale : 40%

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La Valorisation de chaleur dans le périmètre usine

§  Dans le cas idéal où les process sont optimisés, il reste toujours de l’énergie fatale :

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Solides chauds Gaz chauds Liquides chauds

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Quelles voies de valorisation dans le périmètre usine

§  La méthodologie d’Intégration Energétique adresse précisément la vision de l’usine comme : §  Des sources d’énergie disponibles §  Des puits énergétique à satisfaire

§  Cette analyse permet d’inclure des contraintes : §  Distances entre sources et puits §  Eventuels déphasages temporels §  Les courbes de coûts des échangeurs ou équipements

de conversion de chaleur

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Quelles voies de valorisation dans le périmètre usine

§  Intégration Energétique : approche systématique : §  Identification du MER : Minimum d’Energie Requis §  Maximisation de la valorisation de chaleur fatale vers

les flux froids à chauffer §  Amélioration de l’utilisation des utilités

§  La démarche peut inciter à « déconstruire » pour mieux reconstruire les Chemins Energétiques

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Exemple d’intégration énergétique

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Feed1 20°C

Feed2 80°C H

H

145°C

135°C

Rea

ctor

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Rea

ctor

1

170°C C 60°C

150°C C 30°C

260 kW

230 kW

330 kW

180 kW

Pour  chaque  Flux  :  Températures  Débits  Contenu  énergé;que  Pincement  

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Exemple d’intégration énergétique

§  Etablissement des courbes composite

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Flux chaud= Chaleur à dissiper

T (°C)

Q (kW)

Flux froids = à réchauffer

30 °C

60 °C

170 °C

0 kW 45 kW

150 °C Stream 2

Stream 2 +4

Stream 4

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Exemple d’intégration énergétique

§  Aucun échange au départ

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Flux chauds

T (°C)

Q (kW)

Flux froids

Besoins chauds externes

Besoins froids

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Exemple d’intégration énergétique

§  Solution théorique : Minimum d’énergie requis

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T (°C)

Q (kW)

ΔTmin 2

MER Hot

MER Cold

Internal heat exchanges

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Exemple d’intégration énergétique

§  Réseau d’échange techniquement réalisable

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60 °C 170 °C

150 °C 30 °C

20 °C 135 °C

145 °C 80 °C

60 kW

20 kW

20 kW

C

H

H

Hot utility = MER = 40 kW Cod utility = MER = 60 kW

Hot savings = Current - MER = 450 kW 92 % reduction Cod savings = 450 kW 88 % reduction

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Exemple d’intégration énergétique

§  Choix final en fonction de la balance §  Taille d’échangeur §  Coût des utilités de chauffage

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€

ΔTmin

Good compromise

ΔTmin 2 ΔTmin 1

Utility requirement

Investment costs

Total

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Illustration : génération de vapeur sur fumées

§  Les rejets de fumées de combustion entre 200 et 400°C peuvent être valorisés pour générer de la vapeur

§  Utilisation dans le réseau usine, au niveau de pression requis

§  Attention à l’impact sur le circuit fumées, nécessitant un tirage supplémentaire par ventilateur-extracteur

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Illustration : récupération de chaleur sur TAR

§  Les Tours de refroidissement dissipent l’énergie des eaux de refroidissement process §  L’intégration consiste à relever le niveau de

température de 20-30°C à 55-60°C §  Par la mise en place d’une Pompe à Chaleur §  Le nouveau flux à 55°C est valorisable :

§  Pour le chauffage des bâtiments §  Pour du chauffage de bain de process §  Pour diminuer la consommation d’une chaudière

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Illustration : conversion sur solides chauds

§  Des pièces forgées à chauds subissent un refroidissement contrôlé §  La chaleur des pièces est récupérable

dans un tunnel de refroidissement contrôlé, qui génère de l’air à 200°C

§  Cet air à 200°C est valorisé pour diminuer la consommation d’un réseau vapeur

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Valorisation de chaleur hors périmètre usine

§  Il y a souvent plus de chaleur disponible dans un périmètre usine, que de besoins

§  La chaleur fatale en excès peut être convertie : §  En électricité, via des machines thermodynamiques §  En Eau Chaude Surchauffée 65°C ou 120°C

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Conversion Thermique / Electrique

§  Les machines de type Rankine à vapeur d’eau sont connues industriellement depuis longtemps

§  Bien adaptés pour les chaleurs disponibles à haute température, et pour les puissances élevées, typiquement supérieures à 3MWelec.

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Illustration – Cycle Rankine classique

§  Evaporateur-Surchauffeur récupérant l’énergie de fumées chaudes de four sidérurgique

§  Turbine de 3MWe §  Génération de 14GWhe / an

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Cycles Rankine Organique - ORC

§  Les ORC adoptent le même principe physique, mais en utilisant un autre fluide, vaporisant à plus basse température

§  Ces machines ont les avantages suivants: §  Bien adaptées aux sources à T° moyenne, entre 150°C

et 300°C §  Très peu de maintenance §  Adaptées aux puissances électriques entre 100kWe et

2MWe

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Leviers / Freins au déploiement de la conversion électrique

§  La conversion électrique à l’avantage de générer une énergie de haute qualité, valorisable de façon immédiate

§  La rentabilité reste le frein majeur §  Les process intermittents pénalisent la rentabilité,

les machines ne produisant pas à bas régime §  La maîtrise du process est importante pour une

intégration des machines réussie

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Valorisation vers des réseaux de chaleur

§  En 2015 en France, le Fonds Chaleur soutient une nouvelle thématique :

§  Projets liés aux systèmes de captage de la chaleur dans le cadre de la valorisation vers un réseau de chaleur externe (réseaux avec un ou plusieurs clients raccordés)

§  Cette tendance doit permettre de généraliser les couplages entre industries et collectivités

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Illustration : récupération de chaleur d’une aciérie

§  Objectif : production d’eau à 120°C pour alimenter un réseau de chaleur

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Circuit  fumées  refroidi  eau

Arrivée  eau  70°C

Sortie  Eau  120°C

CMI

RIVA

CMIDalkia

Unité  de  traitement  chimique

Groupe  de  relevage  de  pression

Chambre  de  Post-­‐Combustion Quench

RéservoirEconomiseur

Fumées  /Eau

Cheminée

Cheminée

CMIRIVA

Electricité  (transformateur,

…)

Vase  d’esxpansion

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Opportunités / freins pour cette valorisation

§  Les réseaux de chaleur urbains ne sont pas toujours présents : problème d’acceptabilité de la population, habitude du chauffage individuel…

§  Les sites industriels s’éloignent des centres urbains, 1km de réseau à 120°C a un coût !

§  Mais les pouvoirs publics reconnaissent la pertinence de la démarche, et peuvent soutenir les investissements

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Synthèse

§  Les technologies ne manquent pas pour réduire massivement les énergies fatales, et donc diminuer le recours aux énergies primaires.

§  Une méthodologie est nécessaire pour prioriser les actions, depuis les bonnes pratiques à la recherche de valorisation hors périmètre usine

§  La recherche de financement est ensuite au cœur des débats, car de nombreuses solutions présentent des rentabilités entre 3 et 5 ans

§  L’énergie n’est pas encore assez chère pour un engagement massif, d’autant que certaines industries bénéficient de tarifs indépendants du Marché.

§  L’effet conjoncturel (baril de pétrole) et l’évolution rapide de la législation n’aident pas à la prise de décision long-termiste.

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Perspectives

§  Le dispositif juridique en Europe facilite d’ores et déjà certains types d’action

§  Le marché du 1/3 investissement se développe peu à peu, il est déjà très mature dans d’autres régions du monde comme aux USA

§  Les technologies évoluent pour abaisser les coûts de la conversion de chaleur : échangeurs, machines thermodynamiques

§  Les acteurs de la R&D sont également très actifs sur ces sujets : ORC, stockage d’énergie, etc.

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www.cmigroupe.com

Merci energy.efficiency@cmigroupe.com

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