Pompes à chaleur dans un procédé agro-alimentaire

La consommation énergétique du secteur industriel

       Le tiers de la consommation d‘énergie dans le monde provient de l‘activité industrielle. La demande de l‘énergie dans ce domaine a augmenté d‘environ 61 % entre 1971 et 2004. En France, les principaux secteurs industriels utilisateurs de chaleur, hors sidérurgie, sont l‘industrie agroalimentaire, le ciment, la chimie organique et le papier / carton. En 2007, la chaleur consommée par l‘industrie était 26,8 Mtep, soit près d‘un tiers de la chaleur totale. La répartition de cette chaleur consommée entre les différents secteurs est représentée par la figure 1.2. L‘industrie agro-alimentaire consomme à peu près 20 % de la chaleur totale consommée dans l‘industrie. Les besoins calorifiques des procédés industriels sont à des températures très variées. Les niveaux de température d‘utilisation sont divisés en 6 classes pour les différents secteurs (0 °C à 99 °C, 100 °C à 199 °C, 200 °C à 399 °C, 400 °C à 599 °C, 600 °C à 799 °C et supérieurs à 800 °C). Les figures 1.3 et 1.4 représentent la répartition de la consommation énergétique sur les différents secteurs industriels et par tranche de température respectivement. La consommation énergétique totale est de 269 TWh. Les procédés fonctionnant entre 100 et 200 °C comme le séchage dans l‘industrie du papier et la concentration dans les procédés agroalimentaires sont environ 2,5 fois plus consommateurs que ceux en dessous de 100 °C comme la pasteurisation et le chauffage des liquides et des gaz surtout dans l‘industrie agroalimentaire. Dans l’industrie, la consommation des produits pétroliers est passée de 21,7 Mtep en 1973 à 5,9 Mtep en 2007. Le gaz et l’électricité les ont remplacés. Cependant, le pétrole est toujours l’énergie prépondérante, avec une part de la consommation finale énergétique de 43,8 % contre 44,6 % en 2006 ; le gaz et l’électricité ont des parts voisines, respectivement 21,6 et 23 % contre 21,5 et 22,8 % en 2006. La part des énergies renouvelables thermiques (ENRt) et déchets est de 7,5 % en 2007 contre 6,9 % en 2006. Le gaz et l’électricité sont les énergies dont les consommations se sont le plus accrues. La part du gaz dans la consommation finale énergétique est passée de 4,6 % en 1970 à 21,6 % en 2007 et celle de l’électricité de 9,1 % à 23,0 %. A l’inverse, la part du pétrole diminue ; elle est passée de 59,4 % en 1970 à 43,8 % en 2007.

Le contexte réglementaire de la consommation énergétique

      En France, des certificats d‘économies d‘énergie (CEE) ont été mis en place dans le but de limiter les émissions de CO2 tout en limitant les dépenses publiques et en sensibilisant et en responsabilisant la société civile. La loi de programme du 13 juillet 2005 impose aux personnes morales, qui vendent de l‘électricité, du gaz, de la chaleur ou du fioul aux consommateurs finaux et dont les ventes annuelles excèdent un seuil fixé par décret, des obligations de réalisation d‘économies d‘énergie chez leurs clients sur une période donnée. Les fournisseurs d‘utilités doivent justifier des investissements réalisés par leurs clients et démontrer l‘effectivité des économies d‘énergie à la fin de cette période. D‘autre part, la mise en œuvre d’un crédit d’impôt a augmenté le marché des pompes à chaleur à usage domestique d’environ 40 % en 2005 et 50 % en 2006. Pour les équipements de production d‘énergie utilisant une source d‘énergie renouvelable ou de pompes à chaleur dont la finalité est la production de chaleur, le crédit d‘impôts est de 40 % du  montant des équipements. 53,000 pompes à chaleur géothermiques et eau/air ont été vendues en 2006 ainsi que plusieurs milliers d‘installations de chauffage de type air /air.

Analyse énergétique et exergétique de différents types de stockage d’énergie

      L‘eau est largement utilisée comme un moyen de stockage de chaleur puisqu‘elle présente plusieurs avantages comme la non-toxicité, la disponibilité et une capacité calorifique élevée. Deux types de stockage d‘énergie sont présentés et comparés tout en négligeant les pertes thermiques dans les réservoirs. L‘analyse énergétique et exergétique est appliquée aux deux types.
Stockage d‘énergie à température constante et à volume variable Ce type de stockage aboutit à utiliser deux réservoirs de stockage pour les deux niveaux de température du système : température à laquelle la chaleur est fournie et la température de retour de l‘eau après échange de chaleur. Si les pertes thermiques sont négligeables, cela entraîne des pertes exergétiques nulles. Le problème de ce type de stockage pourrait être économique dans certains cas puisqu‘une partie des réservoirs est vide en permanence.
Stockage d‘énergie stratifié à volume constant Dans ce type de stockage, l‘énergie thermique stockée est fournie en puisant l‘eau chaude de la partie supérieure du réservoir qui sera remplacée par de l‘eau moins chaude de la partie inférieure. Durant cette opération dynamique, le phénomène de stratification apparaît. En effet, l‘eau chaude ayant la masse volumique la plus faible monte vers le haut tandis que l‘eau froide, plus dense, reste au fond du réservoir et une couche intermédiaire de mélange apparaît. Ce phénomène de stratification a été largement étudié depuis les années 70. Toutes les études ont montré que la minimisation de l‘épaisseur de la zone de mélange permet d‘améliorer les performances du stockage. La stratification dans un réservoir de stockage dépend de sa géométrie, du design des entrées et des sorties et des conditions de fonctionnement. De plus, la dégradation de la stratification dépend de quatre mécanismes : les pertes thermiques vers le milieu ambiant, la chaleur diffusée dans l‘eau, la chaleur transférée par conduction axiale à travers les parois du réservoir et le type de l‘écoulement (laminaire ou turbulent). Une étude énergétique et exergétique analysant l‘effet du débit d‘eau, de la géométrie du réservoir et du facteur de forme (rapport H/D) sur le phénomène de stratification est détaillée dans cette partie pour des usages industriels où les débits d‘eau instantanés de soutirage sont beaucoup plus importants que les besoins domestiques.
 Description du modèle du réservoir de stockage : Le modèle étudié est constitué d‘un réservoir bidimensionnel, avec une seule entrée d‘eau froide et une seule sortie d‘eau chaude. Un faible écart de températures est considéré entre l‘eau entrante et l‘eau sortante; ce qui est typique des procédés agro-alimentaires. Le réservoir est supposé initialement à 70 °C et l‘eau froide entre à 60 °C. Le modèle est développé dans Fluent. Un soutirage d‘une quantité d‘eau fixe est simulé. L‘analyse énergétique et exergétique des résultats a permis de définir trois rendements nécessaires pour caractériser le réservoir. Le rendement énergétique est défini comme étant le rapport de l‘énergie thermique cumulée fournie sur l‘énergie totale initiale stockée dans le réservoir. Le rendement exergétique est défini comme étant le rapport de l‘exergie cumulée fournie sur l‘exergie totale initiale stockée dans le réservoir. Le troisième rendement, appelé rendement volumétrique, est défini comme étant le rapport du volume d‘eau utile (70 °C) délivré sur le volume total de l‘eau stockée dans le réservoir. Les simulations sont réalisées avec Fluent pour différentes valeurs de (H/D) et de (V/ ) afin d‘étudier l‘effet de ces facteurs sur les différents rendements. Ces simulations ont permis de proposer deux corrélations déterminant le rendement exergétique et le rendement volumétrique en fonction des facteurs étudiés. Ces corrélations sont valides pour un réservoir ayant un volume entre 4 et 50 m3 , un rapport V/ entre 0 et 3 et un rapport H/D entre 2 et 45.

Les fluides frigorigènes utilisés

       Aucun fluide ne peut satisfaire tous les critères requis en même temps. De plus, le choix du fluide dépend des régimes de fonctionnement ; chaque application peut disposer d‘une liste de fluides candidats. Les mélanges présentent l‘avantage d‘adapter finement leurs compositions à une application spécifique et optimiser ainsi l‘efficacité énergétique en fonction des écarts de températures source et puits et des gradients de température sur les fluides extérieurs à la pompe à chaleur.

Application de la méthodologie aux quatre postes

        Le but de cette partie est de créer de nouveaux mélanges non azéotropiques avec les fluides purs proposés dans la partie précédente. Ces mélanges seront adaptés pour les besoins de chacun des quatre postes en faisant un compromis entre les différents critères de sélection cités dans la partie 3.2.2. Les combinaisons de fluides peuvent être binaires et ternaires. Pour choisir un mélange ternaire optimal, la méthode des triangles, qui représentent le diagramme de concentration des fluides, peut être appliquée en se basant sur les critères de sélection (COP, Pcond, Vb, GWP, Tref,comp, glissement au condenseur, glissement à l‘évaporateur et RF-number). Aucun fluide pur ou mélange de fluides frigorigènes n‘est idéal et répond à tous les critères en même temps. Pour cela, on pourrait se baser sur quelques critères et les considérer comme prioritaires par rapport aux autres, c‘est à dire commencer la sélection en comparant ces critères en priorité pour choisir le fluide optimal. Une méthode est proposée dans cette partie pour la sélection des fluides frigorigènes pour les différents postes. Elle consiste à comparer les fluides suivant chaque critère et donner des points à chaque fluide frigorigène ayant le critère optimal, par exemple le COP le plus élevé, le volume balayé le plus faible, la pression de condensation la plus faible, la température de refoulement la plus faible, le GWP le plus faible, les pertes exergétiques les plus faibles et l‘inflammabilité la plus faible. Dans cette étude, le COP est un facteur prioritaire et sa valeur est multipliée par 2. Des notes éliminatoires sont données aux fluides frigorigènes ayant des critères critiques comme la température de refoulement du compresseur lorsqu‘elle dépasse 130 °C, la pression de condensation lorsqu‘elle dépasse 3 MPa, le GWP lorsqu‘il est supérieur à 600 et l‘inflammabilité lorsque le RF-number est supérieur à 10. Dans ce cas, le fluide est éliminé de la comparaison. Le fluide qui totalise la note plus élevée est adopté pour l‘application. Les simulations sur la composition des fluides sont réalisées en considérant un pincement constant au niveau des échangeurs (5 K). Les régimes de débit d‘eau aux niveaux de l‘évaporateur et du condenseur sont ceux définis pour chacun des postes. Les propriétés thermodynamiques sont calculées avec REFPROP-8. Pour les mélanges proposés, ceux-ci n‘étant pas pré-définis dans Refprop, les règles de mélanges par défaut de Refprop sont utilisées. Les rendements volumétriques et globaux des compresseurs sont supposés dépendre uniquement du taux de compression. Dans les simulations, les courbes des compresseurs scrolls utilisés dans la partie expérimentale sont utilisés (cf. § 3.4.1.2). Pour un mélange représenté sur le diagramme, la concentration en chaque composant est définie par la longueur de la perpendiculaire au côté opposé au sommet du triangle, chaque sommet représentant un corps pur. La zone acceptable pour chaque critère est limitée par des traits coloriés en fonction de chaque critère et la zone grise représente la zone admissible où tous les mélanges répondent à tous les critères.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 – Impact Energétique Des Procédés Agro-alimentaires
1.1 Introduction
1.2 Le contexte économique, environnemental et réglementaire de l‘énergie dans l‘industrie
1.2.1 La consommation énergétique du secteur industriel
1.2.2 Le prix du pétrole, du gaz et de l‘électricité
1.2.3 Les émissions de CO2 et des gaz à effet serre
1.2.4 Le contexte réglementaire de la consommation énergétique
1.3 Etat de l‘art des procédés agro-alimentaires
1.3.1 La consommation énergétique
1.3.2 Valorisation de la chaleur fatale
1.4 Présentation des procédés de fabrication du fromage dans la fromagerie étudiée 
1.4.1 Description des opérations unitaires
1.5 Potentiel d‘intégration de PAC
1.6 Conclusions et problématique à traiter
Références
Chapitre 2 – Optimisation thermo-économique d’un système de pompe à chaleur eau/eau avec des réservoirs de stockage
2.1 Introduction
2.2 Analyse énergétique et exergétique en dynamique
2.2.1 Analyse énergétique et exergétique de différents types de stockage d‘énergie
2.2.2 Analyse énergétique et exergétique des autres composants
2.3 Temps de retour sur investissement simplifié
2.4 Application de la méthodologie à un cas d‘étude (le besoin acide de la NEP de concentration)
2.4.1 Options d‘intégration de la pompe à chaleur
2.5 Résultats et discussion
Thermo economic method to design optimal scheme for water / water heat pump systems with storage tanks
Abstract
1. Introduction
2. Dynamic energy and exergy analyses
2.1 Energy and exergy analysis of heat storage options
2.2 Energy and exergy analysis of heat pump system
2.3 Energy and exergy analysis of heat exchangers
3. Simplified payback period (SPBP)
4. Application of the methodology to a case study
4.1 Heat pump integration options
4.2 Description of the Dymola model
5. Results and discussion
6. Conclusions
Références
Chapitre 3 – Conception de PAC eau /eau moyenne et haute températures et validation expérimentale
3.1 Introduction
3.2 Optimisation multicritère des pompes à chaleur
3.2.1 Comparaison entre les différentes options techniques pour les PAC
3.2.2 Méthode de sélection des fluides frigorigènes
3.3 Application de la méthodologie aux quatre postes
3.3.1 Résultats pour le poste 1
3.3.2 Résultats pour le poste 2
3.3.3 Résultats pour le poste 3
3.3.4 Résultats pour le poste 4
3.3.5 Synthèse des simulations
3.4 Etude expérimentale des choix technologiques définis
3.4.1 Réalisation du prototype de PAC
3.4.2 Réalisation des essais
3.5. Conclusions
Références
Chapitre 4 – Optimisation multi-objectifs d’un système de trois pompes à chaleur utilisant un algorithme génétique
4.1 Introduction
4.2 Système de trois pompes à chaleur
4.2.1 Sous-système PAC ECS
4.2.2 Sous-système PAC B
4.2.3 Sous-système PAC A
4.3 Le modèle thermodynamique
4.4 Le modèle économique
4.5 L‘optimisation
4.5.1 Problématique
4.5.2 Elaboration de l‘optimisation
4.6 Résultats
Multi-objective optimization of a multi water-to-water heat pump system using evolutionary algorithm
Abstract
1. Introduction
2. Multi-heat pump system
2.1 Heat pump sub-system of Hot Sanitary Water
2.2 Heat pump sub-system of basic solution B
2.3 Heat pump sub-system of acid solution A
3. The thermodynamic model
3.1 Heat pumps
3.2 Storage tanks
3.3 Heat exchangers
3.4 The exergy balance
4. The economic model
5. Optimization
5.1 Optimization problem
5.2 Optimization formulation
5.3 Implementation
6. Results
6.1 Carbon tax sensitivity analyses
7. Conclusions
Références
Conclusions générales et perspectives

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