Version classiqueVersion mobile

L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Septième partie. Usages de l'énergie et efficacité énergétique

9. Efficacité énergétique : l’intégration des systèmes industriels

Gilles Hétreux et Raphaële Thery

Texte intégral

Un gisement d’économies d’énergie

1Si l’on associe spontanément les économies d’énergie aux secteurs du bâtiment et du transport, il n’en demeure pas moins que l’industrie est aussi fortement concernée par le sujet (28 % de la production énergétique en France). Notamment, près de 70 % de l’énergie consommée par ce secteur est destinée à couvrir les besoins en utilités* (soit 11 Mtep/an). Or, de récentes études estiment qu’une réduction de 20 % de cette consommation est atteignable d’ici 2020. Pour cela, les actions envisagées s’articulent principalement autour du développement de modes de production/conversion innovants de l’énergie (avec captage de CO2), de l’introduction de nouveaux matériaux et composants de transfert/transport, et enfin, d’une intégration énergétique poussée des systèmes industriels, objet de cet article.

Principes

2Le concept d’intégration énergétique est fondé principalement sur le « recyclage de l’énergie » au sein des systèmes de production. En effet, toute opération de transformation ou de transport dégrade toute ou partie de l’énergie consommée (chaleur, froid, travail mécanique) sous forme de flux évacués par différents effluents* avec un contenu énergétique non négligeable mais souvent, non valorisé. L’enjeu de l’intégration énergétique est donc de récupérer autant que possible l’énergie dissipée et de la restituer pour satisfaire d’autres besoins. Le principal verrou est que les potentialités de récupération et de transfert sont bornées par les lois fondamentales de la thermodynamique (premier et second principe, cf. II.2, II.3) et par les contraintes technologiques.

3L’intégration énergétique peut être réalisée localement au niveau d’une opération unitaire (par exemple, distillation de l’air). Mais généralement, c’est plutôt à l’échelle du procédé global que l’analyse est menée. Celui-ci est considéré comme un réseau complexe de courants (matières, utilités, etc.) qualifiés soit de source d’énergie (courants « chauds » nécessitant d’être refroidis), soit de puits d’énergie (courants « froids » devant être réchauffés). Le problème réside alors dans l’évaluation de toutes les alternatives possibles de transfert d’énergie entre une source et un puits compatible, la mise en contact étant techniquement réalisée via un échangeur de chaleur*.

Méthodologies d’analyse

4Depuis les années 1980, la plupart des études énergétiques sur les procédés s’appuie sur l’analyse Pinch (« méthode du pincement »). Cette méthodologie, largement exploitée pour la conception ou l’amélioration des procédés continus, consiste à évaluer de manière systématique la cible de consommation minimale en utilités chaudes et froides en s’appuyant sur l’analyse de courbes composites. La courbe composite chaude (resp. courbe composite froide) représente le profil des sources de chaleur disponibles (resp. des besoins thermiques) du procédé, en combinant les différents courants chauds (resp. froids) apparaissant sur un même intervalle de température. Construites à partir des données caractérisant les courants du procédé (débits F, capacité calorifique Cp, températures d’entrée Tin et cible Tout), ces courbes (figure a) permettent de quantifier et de caractériser les potentiels de récupération thermique au sein du procédé (zone verte), l’écart de température minimum autorisé entre courants chauds et froids (ΔTmin) et le Minimum d’Énergie Requise (zones bleu et rouge), selon leur forme et leur position respectives. La température de pincement Tpinch définit alors une frontière à travers laquelle aucun transfert de chaleur ne doit exister.

Analyse Pinch : a) courbes composites et b) réseau d’échangeurs associé

5Il est alors possible d’évaluer les économies d’énergie atteignables, soit par modification du procédé (ajustement de paramètres opératoires, ajout de nouvelles étapes, etc.), soit en installant un réseau d’échangeurs (figure b) dont il faut déterminer la topologie (nombre, dimensions, etc.) et les caractéristiques techniques (technologie, fluides, matériaux, etc.). Devant conduire au meilleur compromis entre coûts d’investissement et coûts de fonctionnement de l’unité, ce problème est souvent résolu au moyen de techniques de programmation mathématique.

6Concernant l’étude des procédés discontinus, cette méthodologie nécessite des adaptations notables du fait de la nature dynamique du régime de fonctionnement. Par ailleurs, la quantité d’énergie réellement recyclée est fortement dépendante de la conduite du procédé, notamment l’or dans le temps l’exécution des tâches potentiellement couplées. Revêtant un aspect combinatoire important, ces méthodologies sont encore en voie de développement, même si des résultats prometteurs ont déjà été obtenus.

Vers une intégration multi-site de l’énergie

7Le stade ultime de cette démarche d’intégration énergétique est le concept de « parc éco-industriel », c’est-à-dire la constitution de réseaux d’entreprises. Le site de Kalundborg au Danemark est un exemple de symbiose industrielle qui a mené à la construction d’un véritable réseau d’échange de flux énergétiques entre cinq grandes entreprises d’une même zone. En revanche, cette stratégie industrielle n’est pas une simple extension des cas mono-sites. En effet, une difficulté classique rencontrée dans de tels systèmes distribués est la formalisation des processus de coopération entre acteurs et la mise en place d’une architecture décisionnelle visant une performance globale tout en respectant les contraintes et objectifs propres de chaque entreprise.

Un guide de bonnes pratiques

8Bien moins populaires que la recherche de technologies alternatives aux énergies fossiles, les solutions visant à améliorer l’efficacité énergétique des systèmes industriels constituent aujourd’hui un enjeu de première importance. En effet, en plus de donner à ces nouvelles technologies le temps d’arriver à maturation, elles constitueront à terme des règles de bon fonctionnement des unités de production qu’il sera toujours sage d’adopter.

Bibliographie

Références bibliographiques

• G. SARLOS, P.-A. HALDI et P. VERSTRAETE – Systèmes énergétiques, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 1995.

• R. M. SMITH – Chemical Process : Design and Integration, John Wiley & Sons, 2005.

Table des illustrations

Légende Analyse Pinch : a) courbes composites et b) réseau d’échangeurs associé
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11138/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 593k

Auteurs

Docteur-Ingénieur en Génie Industriel, Maître de Conférences, Université de Toulouse, Toulouse.
gilles.hetreux@ensiacet.fr

Docteur-ingénieur en Génie des Procédé, Maître de Conférences, ENSIACET, Université de Toulouse, Toulouse.
raphaele.thery@ensiacet.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

Rechercher dans OpenEdition Search

Vous allez être redirigé vers OpenEdition Search