Outil de prévision saisonnière et d’aide à la décision

Le but de ce projet est de fournir à l’exploitant de l’Usine de Traitement des Ordures du Valais central (UTO) un outil de prévision saisonnière et d’aide à la décision concernant la bonne exploitation de la chaleur récupérable sur site. Il est question notamment d’alimenter le futur chauffage à distance (CAD) qui alimentera la ville de Sion. Afin de mener à bien cet objectif de valoriser au mieux la chaleur produite par l’incinération des déchets ménagers, un modèle physique prenant en compte la récupération de chaleur et l’ajout éventuel de production, les coûts en opération et les niveaux de température a été développé. Le résultat se veut être une fenêtre sur les scénarios envisageables, ordonnés selon certains critères, offrant à l’exploitant une vue d’ensemble facilitant ses choix futurs ainsi que la gestion de la chaleur à moyen terme.

La difficulté à appréhender un tel dilemme vient du contexte du marché de l’énergie dont les prix sont incertains et dans le cas de l’électricité ont tendance à s’effondrer. La chaleur se vend aujourd’hui plus cher que l’électricité, alors que cette dernière est considérée comme plus noble. Difficile dès lors de savoir dans quelle nouvelle installation investir ou quelle stratégie adopter pour améliorer son efficacité énergétique et satisfaire aux exigences de l’OLED (Ordonnance sur la Limitation et l’Elimination des Déchets) sans prendre de risques économiques trop conséquents.

Informations sur le site

Fonctionnement

En bref
L’UTO brûle dans son incinérateur les déchets ménagers provenant du Valais Central. La chaleur dégagée par la combustion permet à une chaudière de produire une trentaine de tonnes de vapeur haute pression et haute température chaque heure. Cette vapeur est turbinée afin de créer de l’électricité puis condensée afin de recommencer un cycle. L’énergie produite est injectée sur le réseau haute tension de la ville de Sion. Une installation de traitement des fumées purifie les gaz de combustion provenant du four avant de les renvoyer dans l’atmosphère.

Récupération d’énergie

Etat des lieux

Actuellement, la chaleur extraite de la combustion des déchets est essentiellement valorisée en électricité à l’aide de la turbine. L’UTO dessert en effet le réseau 16kV de l’ESR à hauteur de 25 GWh pour 2013 par exemple. Elle auto-consomme en plus chaque année environ 10 GWh et le solde de 0,2 GWh qu’elle rachète sur le réseau correspond aux périodes de maintenance. Il existe déjà quelques valorisations thermiques au sein de l’usine. En effet, les bâtiments du site sont chauffés grâce à la vapeur soutirée entre les deux étages de la turbine. Il en va de même pour l’entreprise Valpellets, à qui l’UTO livre environ 9 GWh d’électricité par année pour la production de pellets de bois.

Etat de l’art

Intégration énergétique

Le principe de l’intégration énergétique est d’utiliser l’énergie thermique de manière rationnelle au travers d’une cascade exergétique, permettant l’usage de cette énergie à différents niveaux de températures. Appliquée aux procédés industriels de tout type, son but est d’augmenter les possibilités de récupération au sein du processus en parallèle à une optimisation économique. L’intégration énergétique est donc par nature mieux adaptée à de grosses industries ou sites urbains car les besoins en chaleur ou en froid doivent être hétéroclites afin de favoriser les échanges thermiques. La méthode du pincement présentée ci-après reprend ces principes et les formalise dans une marche à suivre qui tient compte des contraintes liées aux procédés industriels.

La théorie de l’exergie dit que la chaleur n’a pas la même valeur selon la température à laquelle elle peut être délivrée. La qualité de la chaleur réside en sa capacité à produire un travail, et on comprend aisément avec la formule de Carnot que plus la température est haute, plus on peut en tirer du système

Pinch Analysis

La méthode du pincement permet à la base de générer un réseau d’échangeurs au plus proche de l’idéal pour maximiser la récupération de rejets thermiques. Elle a pour objectif de simplifier le respect des premier et deuxième principes de la thermodynamique dans leur mise en œuvre en faisant la synthèse des disponibilités et besoins en chaleur du site grâce à des diagrammes température-enthalpie. Ces derniers affichent les courbes composées des flux à réchauffer et à refroidir, obtenus en additionnant les variations d’enthalpies de chaque entité dans les intervalles de température respectifs.

Cette manière de faire a l’avantage coupler la demande en énergie à ses niveaux de température et favorise son utilisation en cascade, ce qui d’un point de vue exergétique est bien meilleur. La surface entre les courbes obtenues représente l’énergie échangeable entre elles. En d’autres termes, les transferts d’énergie internes sont privilégiés avant d’autres procédés plus complexes et onéreux.

Sur le diagramme température-enthalpie, des informations capitales telles que l’énergie récupérable sont visuellement accessibles. Sont également à disposition la quantité d’énergie à apporter au système sous forme de chaud ou de froid et la température de pincement, là où les courbes se touchent. Ce point caractéristique, obtenu après définition d’un écart de température minimal (ΔTmin), possède de nombreuses propriétés fixant les règles d’un bon réseau d’échangeurs. Par exemple, aucun flux chaud ou froid ne devrait effectuer de transfert au travers de cette « barrière ». Il est ainsi nommé car le but de la méthode est de rapprocher un maximum les courbes chaudes et froides tout en laissant un ΔTmin pour pouvoir échanger. La grande courbe composite donne encore un meilleur aperçu de ces informations. Elle montre que certains flux peuvent être alimentés à une température plus basse que prévu et elle permet également de placer correctement pompes à chaleur et cogénérations dans le réseau de chaleur.

Osmose

Le logiciel choisi pour mener à bien cette analyse pour l’UTO s’appelle Osmose. Il a été créé par l’IPESE (Industrial Process & Energy Sytem Engineering) de l’EPFL et tourne sur un langage de programmation nommé Lua. Osmose est un outil d’analyse basé sur la méthode du pincement proposant d’améliorer ou de développer des systèmes énergétiques en associant simulation et optimisation. En résumé, le programme se compose de modèles d’installations représentées par des units qui caractérisent une conversion énergétique. Ces units possèdent des flux en entrée et sortie de différentes natures telles que débit massique d’un produit, électricité ou chaleur. Plusieurs units interagissent entre elles et, tant que la balance de masse et d’énergie est respectée, Osmose peut optimiser le fonctionnement global selon le critère demandé. Le logiciel peut par exemple réduire linéairement l’utilisation d’un certain aménagement si cela profite au coût opérationnel ou à l’impact CO2 global de l’usine, tout en garantissant les besoins minimaux en énergie. Il est possible d’ajouter des équations simulant les contraintes réelles auxquelles est soumise l’installation ainsi que de faire varier les paramètres des units, pour simuler les saisons ou alors des variations de prix des ressources. Certaines units peuvent également être fixées en tant que process, ce qui interdit au logiciel de varier leur taux d’utilisation.

Table des matières

1 Introduction
2 Objectifs
3 Informations sur le site
3.1 Fonctionnement
3.2 Récupération d’énergie
3.3 Projet de CAD
4 Etat de l’art
4.1 Intégration énergétique
4.2 Pinch Analysis
4.3 Osmose
5 Modélisation
5.1 Introduction
5.2 Scénarios
5.1 Méthodologie
5.2 Description des modèles
6 Résultats
6.1 Analyse
6.2 Variation des paramètres de prix
6.3 Détails de scénarios
6.4 Améliorations
7 Conclusion
8 Bibliographie
9 Table des illustrations
10 Annexes

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