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

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


IntroducCon Poten&el de récupéra&on de chaleur

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“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


IntroducCon Poten&el de récupéra&on de chaleur

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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


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)


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


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)


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


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



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Organic Rankine Cycles La machine et le cycle

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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


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


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


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%


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.)


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)


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


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


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


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


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


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


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


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)


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%


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.


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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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


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]


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)


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


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


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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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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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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Pour plus d’informaCons: [email protected]

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