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Colloque Energie du CNRS – 29 janvier 2018
Efficacité Energétique dans l’industrie : une approche multi-échelle nécessaire
Fabrice Lemoine
LEMTA – UMR 7563 – Université de Lorraine - CNRS
Colloque Energie du CNRS – 29 janvier 2018Colloque Energie du CNRS – 29 janvier 2018
L’efficacité énergétique
Etat de fonctionnement d'un système pour lequel laconsommation d’énergie est minimisée pour un service renduidentique.
L’efficacité énergétique permet de modérer la demande etparticipe fortement à la réduction des émissions de GES
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Tous les secteurs sont concernés !
Technologies de l’information et de la communication
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Cadre français
• Stratégie Nationale de Recherche (2013) ORIENTATION 8 / Efficacité énergétique
Les efforts de recherche et d’innovation doivent être poursuivis pourlimiter les besoins énergétiques dans les secteurs du bâtiment, destransports et des systèmes productifs. Pour être efficaces, les solutionsdéveloppées devront combiner différentes technologies innovantes(nouveaux isolants, récupération de chaleur, optimisation desmoteurs, compteurs intelligents…), une évolution des comportementsd’acteurs, des logiques collectives et des dispositifs d’incitation et dediffusion.
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Cadre Européen : l’Union de l’Energie
• la sécurité énergétique,
• la pleine intégration du marché européen de l’Energie ;
• l’efficacité énergétique comme moyen de modérer la demande ;
• la « décarbonisation » de l’économie ;
• la recherche, l’innovation et la compétitivité.
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Contexte européen
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EU Energy Winter Package (horizon 2030)30 novembre 2016
“Putting energy efficiency first : consuming better, getting cleanerA 30% energy efficiency target, efficient buildings, clarified ecodesign framework and measures, smarter finance to help Europe grow while meeting its climate goals easer”
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Des dépenses publiques de R&D en hausse dans le domaine de l’efficacité énergétique
(pays membres de l’AIE)
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Un rôle clef des technologies pour réduire l’intensité carbone de l’industrie
Etude decarbonization wedges (ANCRE)
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Les grands axes de la R&D
• Développement d'équipements et de procédés plus performantso Production de chaleur par combustion (combustion en régime dilué :
aérodynamique, oxy-combustion)
o Procédés de séchage et de déshydratation (modélisation des mécanismes, rhéologie)
• Production de froid (fluides frigorigènes, systèmes à sorption, froid magnétique, thermoélectricité, effet thermo-acoustique, stirling)
• Intégration énergétique plus performante o Méthodologies d’IE (procédés discontinus, déphasage offre/demande)
o Récupération et valorisation de chaleur fatale
Approche multi-échelle nécessaire
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L’efficacité énergétique dans l’industrie : une approche multi-échelle nécessaire
Echelle locale
Phénomènes élémentaires
Echelle du composant
Echelle système
Plusieurs fonctionnalités
Echelle de l’Usine
Echelle du territoire
Procédés
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Une approche multi-échelle nécessaire
• Intensification des transferts (chaleur, matière, réactions chimiques)
Local
Transferts, Interfaces
• Design (matériaux, fluidique, thermique)
• Optimisation, fabrication
Composant• Intégration énergétique
•Optimisation
•Contrôle/commande
Système, procédés
• Recherche de synergie
• Intégration énergétique
• Optimisation, co-simulation
Usines, territoire
Fabrication additiveMatériaux innovants (multi-matériaux, composites)
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Echelle locale : intensifier les transferts
• Un exemple : transferts avec changement d’état
Mise au point d’un condenseur plus efficace (MIT)
Tube de cuivre lisse hydrophile → condensation en filmSaturation et isolation = efficacité dégradée(source : MIT Open Access Articles)
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Après traitement de surface : CuO nanostructuré → surface superhydrophobe
1- Coalescence
2- « Jumping droplets »
3- Surface « démouillée »
Surface démouillée = surface efficace
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Coefficient de transfert q" T
Gouttes « éjectées »
Gouttes
Film
Film
Gouttes
Gouttes « éjectées »
Efficacité : +25 %
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Echelle composant, procédéL’intensification des procédés : Transferts de chaleur, Transferts de matière, Réactions chimiques
Intensifier = puissance volumique (taux de transfert) ↗
3 1 3 1Quantité transféréePuissance volumique = Mol.m . ou J.m .
V x Δt
= "Compa c it é" des transfert s
s s
Un éléments essentiel : la densité interfaciale(Luo, 2013)
1Aires des interfaces cumuléesS = m
= "Compacité"V
géométrique
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Intensification des transferts et des procédés
• Intensification énergétique : réduire la quantité d’énergie requise, ou la qualité de l’énergie (par ex. en recyclant la chaleur fatale), pour un même service = ↗ efficacité énergétique
• Intensification de la productivité chimique (kg.m-3.s-1)
• Intensification de la compacité (masse, volume) → miniaturisation
(unités de production compactes, systèmes embarqués)
• Intensification temporelle : accélérations transferts, des cinétiques (catalyse)
• Intensification fonctionnelle : assembler plusieurs opérations unitaires, polygénération (électricité, chaleur, froid)
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Réacteurs intensifs de vaporeformage
Procédé industriel de
reformage du méthaneRéacteurs-échangeurs
microstructurés
fumées
produits
réactifs
Procédé global
repensé
Matériaux
spécifiques
Protections
de surface
AssemblageCatalyseurs
Conception du réacteur basée
sur couplages forts (chaleur,
matière, réaction hétérogène)
FUI
𝑪𝑯𝟒 +𝑯𝟐𝑶 ↔ 𝑪𝑶 + 𝟑𝑯𝟐
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Une approche multi-échelle indispensable
Canal Plaque Module PiloteCatalyseur
+ transferts + parallélisme + fabrication + procédé
Échelle expérimentale
Échelle expérimentale
Quelle géométrie optimale pour un
canal ?
Comment distribuer uniformément le
fluide ?
Comment assurer la résistance thermo-
mécanique du module ?
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Des couplages multiples à prendre en compte
Modélisation d’une ailette thermique réactive• Optimisation de la réaction catalytique• Optimisation des transferts de matière• Optimisation des transferts de chaleur• Intégration énergétique de l’ensemble
Importance de couplages transferts /réactions chimiques
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Des échangeurs innovantsAluminium → Acier inoxydable• Plus de capacité thermique• Limite du flux thermique dans le plan• 400 bars, 900°C• Compacité → fabrication
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Lutter contre l’encrassementUn gage d’efficacité dans la durée
Couche d’encrassement
Surface d’échangeGaz chaud
Gaz froid
Excitation thermique transitoireAdmittance thermique
Signature thermique de la couche d’encrassement
Contrôle en temps réel et en ligne Maintenance préventive Une préservation de l’efficacité énergétique dans le temps
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L’intégration énergétique : procédés, usine et territoire
• La chaleur industrielle est très majoritairement produite à partir de combustible
• 270 TWh consommés (69% fours et séchoirs)
Un enjeu majeur : la récupération et la valorisation de la chaleur fatale
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La chaleur fatale : typologie et niveau de température
Basses T° Moyennes T° (Très)-hautes T°
Typologiedu rejet
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Exemple de l’industrie sidérurgique
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STEEL
Soufflage de gaz chauds
1500°C
• Gisement très important de chaleur
• Gisement à très haute température
• Forte dégradation d’exergie pour la majorité
• Beaucoup de pertes entre 50°C (eau de refroidissement) et 300°C (fumées)
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ISIJ Heat Economy Technology Committee
⑭Sintering Machine Exhaust
⑩Coke Oven Combustion Exhaust
⑪Hot Stove Exhaust
⑥Heating Furnace Exhaust
⑫BFG SH
⑦COG SH
①BOFG SH
④Coke SH
⑨Sintered-ore SH
②BF Slag SH
③BOF Slag SH
⑤Slab SH
⑧Product SH
⑮Cooling Water SH
⑬Radiant Heat Loss
Hot Strip Mill
Amount of Waste Heat [MJ/T-crude steel]Waste Heat Temperature[℃]
02004006008001000120014001600 8007006005004003002001000 900
unrecovered recoveredBOFG boiler
CDQ
HCR
Recuperator
Sinter Cooler Heat
Recovery
Stack Gas Heat Recovery
Hot Stove Waste-heat Recovery
TRT
SH…Sensible Heat
Need breackthrough new processes
Low temperatureenergy recovery(< 350°C)
Un exemple de bilan enthalpique d’une aciérie
(source Arcelor-Mittal)
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Haute T° Moyenne T° Basse T°
RayonnementConvection
Régénérateur Echangeur à ailettes Caloducs Régénérateurs
rotatifsEchangeurs à condensation
Condenseurs àmembrane
Pompe à chaleur
Moteur Sirling
Effet magnétocalorique (roue) de Curie)ThermoélectricitéEffet thermophotovoltaïque
Cycles thermodynamiques
Conversion directe
Mécanismes locaux (compétition turbulence/échange de chaleur), intensification, encrassement, stockage
Ch
ale
ur
Ele
ctri
cité
(Micro)Cogénération
Système à deux échangeurs
Turbine à éjectionCycles organiques de Rankine (ORC)
Optimisation, ingénierie fluidique et thermique, intégration système
MatériauxCycle Rankine Cycle Kalina
Les différentes voies de récupération de la chaleur fatale
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• Absorption volumique• Surface d’échange
spécifiques élevée• Matériaux conductifs
et capacitif
Récupération de chaleur à haute température
Mousses céramiques (SiC, Alumine)(absorption du rayonnement solaire concentré)
Source de rayonnement Infra-rouge
1000K, IR moyen
Flux d’air froidFlux d’air réchauffé
Utilisation d’absorbeur à mousse métallique
• Transferts radiatifs vers la matrice solide• Transferts conductifs et convectifs (solide-air)• Propriété thermiques et optiques de la matrices doivent être optimisées
1000 K
3 µm
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La turbine à éjection
Captation de la chaleur fatale par deux fluides : un fluide caloporteur (huile) et un fluide thermodynamique (eau/vapeur)Transfert de chaleur huile → eau lors de la détente(quasi-isotherme)
Un accélérateur diphasique qui provoque une forte accélération du mélange lors d’une détente quasi-isotherme.
L’utilisation d’une turbine à action de type Pelton connue pour sa robustesse et ses bonnes performances (CAPEX réduite).
Verrous• Modalisation et caractérisation de
l’écoulement compressible diphasique • Optimisation globale en fonction du
niveau de température des rejets thermiques
Turbine à éjection (procédé TURBOSOL): conversion de chaleur fatale > 300°C en électricité (100 kWe)
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• Récupération d’énergie thermique par éléments thermoélectriques (gamme de températuresmoyennes) :
• Conversion directe chaleur → Electricité
• Accroître le rendement de conversion (5%)
• Augmenter le facteur de mérite ingénierie des phonons
Bi2Te3
Nanofil « cœur-coquille » & nanotubes, diffusion des phonons, transport des électrons => augmentation de ZT
Synthèse électrochimique (IJL)
Optimisation par simulation dynamique moléculaire (LEMTA)
2 ZT S T
Nanotube Bi2Te3
Attention aux coûts, à la criticité des matériaux !
Thermoélectricité : conversion directe chaleur → électricité
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Récupération de chaleur à basse température par effet magnétocalorique: la roue de Curie
Applications
Valorisation d’effluents basse température
(dépend de la température de Curie du matériaux) Récupération directe de chaleur
solaire
Alliage Ni-Fe Gd MnAs (Ce La)(Fe Si Co)13 : (faible température de Curie)
Matériau magnétocalorique
Aiment permanentChaud Froid
A la base : l’effet magnéto-calorique
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L’efficacité énergétique : bien au delà de l’usine ! L’écologie industrielle (éco-parc) : un moyen de mettre en œuvre des synergies et des symbioses- Valorisation des coproduits(énergétiques ou non)
- Des rejets thermiques Optimisation technico-économique Barrière réglementaire levée Modèle économique intégré Confiance en les acteurs
Symbiose Kalundborg (DK)
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Vers une démarche d’écologie industrielleOPTISITE : Optimisation énergétique, économique et environnementale des sites et territoires industriels
(CVT ANCRE)
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Disposer d’outils de simulation performants : une nécessité
Nécessité de disposer maquettes numérique d’écoparcs industriels Outils de modélisation, de simulation, de co-simulation et d’optimisation
MiddlewareIntégration formelle de
logiciels• Process continu• Evènements
discret (réseaux télécom)
Software1
Software2
Software3
• Post-traitement
• Outils d’aide à la décision
• Impact environnemental
• Coût, ROI• Bilan CO2• Efficacité énergétique
Simulateurs dédiés
Plateforme d’intégration énergétique
Intégration énergétique
Evaluation de performances
Optimisation multi-objectifs
Modèles physiques
• OSMOSE (EPFL• CERES (Mines Paris Tech)
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Conclusions : une nécessité de travailler à toutes les échelles
ObjectifsAccroître le
nombre d’évènements moléculaires
Homogénéité en terme de processus
Optimiser la force motrice
(gradients), la surface spécifique
Optimiser les synergies
Echelles Echelle moléculaire
Mésoéchelle, Particules fluides
Nanostructure
Composant, sous système
Usine, parc industriel, territoire
Capteurs, métrologies, exploitation de
données, digitalisation
Techniques de fabrication innovante
HydrodynamiqueTransferts
Procédés
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Conclusions L’efficacité énergétique n’est pas un problème réservé aux sciences
physiques et technologiques Economie : modèles économiques innovants dans un contexte d’énergie
encore peu chère, économie de la fonctionnalité
SHS : gouvernance, jeux d’acteurs, ergonomie des nouveaux modes de consommation d’énergie (interfaces Homme-technologies)
Digitalisation (TIC) au service de l’EE: capteurs, métrologie, exploitation des données massives, maquettes numériques
N’oublions pas la formation des acteurs