Mardi 17 Mars
Optimisation énergétique globale des sites
industriels : opportunités de valorisation
des énergies fatales
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Avec le soutien de :
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Optimisation énergétique
Globale des sites industriels
Opportunités de valorisation des
énergies fatales
Ludovic FERRAND...
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CMI Energy Efficiency
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 Une équipe d’experts pour l’Industrie:
 en process thermiques,
 Chauffage haute & b...
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Quel rôle pour l’efficacité énergétique ?
 L’Efficacité Energétique a
et aura un rôle Majeur :
 dans le défi de l’effe...
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Cadre Européen sur le Climat-Energie
 Plan Climat-Energie Européen 2008 : Fixe les objectifs 2020
 20 % d’énergie reno...
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Vue d’ensemble des gisements d’efficacité
énergétique
 Dans l’Industrie, une meilleure utilisation de l’énergie
primair...
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Quelles industries concernées
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 Les transformateurs
de matière première
sont logiquement
en première ligne
po...
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Diversité des équipements thermiques
 Les niveaux de température sont très divers
 Les gisements de chaleur non valori...
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Définition de la Chaleur ou Energie Fatale
 Regroupe toutes les productions de
chaleur dérivées d’un site industriel,
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Place de la valorisation des chaleur fatales
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 La valorisation de la chaleur
fatale est un gisement :
 Très ...
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Méthodologie Générale
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Groupe de process thermiques
et ses utilités
Bonnes Pratiques
Chasse au Gaspi
Actions ...
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Matrice de décision associée
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VALORISATION DE CHALEUR HORS
PÉRIMÈTRE USINE
OPTIMISATION DES ÉQUIPEMENTS
VALOR...
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Bonnes pratiques et chasse au gaspillage
énergétique
 Les trouvailles de gisements sont systématiques,
parfois très imp...
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Bonnes pratiques et chasse au gaspillage
énergétique
 Les freins à la mise en place sont liés
principalement aux organi...
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Illustration sur quelques exemples
 Exemple typique de déperdition significatives :
ouvertures de porte sur enceintes h...
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Illustration sur quelques exemples
 Exemple de chasse au fuites air comprimé
dans une moyenne industrie
 Fuites mesuré...
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Optimisation énergétique des process
 Le process thermique est souvent un élément
important de la qualité des produits
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Quels outils pour l’optimisation des process
 Depuis 1997, l’Europe organise l’échange d’information
via des rapports e...
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Exemple : contrôle avancé du process
 Le contrôle avancé
consiste à :
 donner le juste nécessaire
d’énergie
 Tout en ...
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Exemple : optimisation d’échangeur interne
process
 L’expertise des conditions de
fonctionnement permet de
transformer ...
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Exemple : variation de vitesse sur moteur
 Les machines tournantes ont une consommation
d’énergie importante, pour les ...
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Exemple : variation de vitesse sur moteur
 Implémenter une variation de vitesse des moteurs,
couplé à un contrôle optim...
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La Valorisation de chaleur dans le périmètre
usine
 Dans le cas idéal où les process sont optimisés, il
reste toujours ...
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Quelles voies de valorisation dans le
périmètre usine
 La méthodologie d’Intégration Energétique adresse
précisément la...
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Quelles voies de valorisation dans le
périmètre usine
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 Identificati...
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Exemple d’intégration énergétique
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Feed1
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Exemple d’intégration énergétique
 Etablissement des courbes composite
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Exemple d’intégration énergétique
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chauds
T (°C)
Q (kW)
Flux froids
Besoins ch...
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Exemple d’intégration énergétique
 Solution théorique : Minimum d’énergie requis
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T (°C)
Q (kW)
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MER ...
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Exemple d’intégration énergétique
 Réseau d’échange techniquement réalisable
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60 °C 170 °C
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Exemple d’intégration énergétique
 Choix final en fonction de la balance
 Taille d’échangeur
 Coût des utilités de ch...
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Illustration : génération de vapeur sur
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 Les rejets de fumées de
combustion entre 200 et 400°C
peuvent être valo...
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Illustration : récupération de chaleur sur
TAR
 Les Tours de refroidissement dissipent
l’énergie des eaux de refroidiss...
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Illustration : conversion sur solides chauds
 Des pièces forgées à chauds subissent
un refroidissement contrôlé
 La ch...
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Valorisation de chaleur hors périmètre usine
 Il y a souvent plus de chaleur disponible dans un
périmètre usine, que de...
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Conversion Thermique / Electrique
 Les machines de type Rankine à vapeur d’eau sont
connues industriellement depuis lon...
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Illustration – Cycle Rankine classique
 Evaporateur-Surchauffeur récupérant l’énergie de
fumées chaudes de four sidérur...
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Cycles Rankine Organique - ORC
 Les ORC adoptent le même principe physique,
mais en utilisant un autre fluide, vaporisa...
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Leviers / Freins au déploiement de la
conversion électrique
 La conversion électrique à l’avantage de générer
une énerg...
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Valorisation vers des réseaux de chaleur
 En 2015 en France, le Fonds Chaleur soutient une
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 Proj...
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Illustration : récupération de chaleur d’une
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 Objectif : production d’eau à 120°C pour alimenter
un réseau de c...
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Opportunités / freins pour cette valorisation
 Les réseaux de chaleur urbains ne sont pas
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Synthèse
 Les technologies ne manquent pas pour réduire massivement les
énergies fatales, et donc diminuer le recours a...
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Perspectives
 Le dispositif juridique en Europe facilite d’ores et déjà
certains types d’action
 Le marché du 1/3 inve...
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Optimisation énergétique globale des sites industriels : opportunités de valorisation des énergies fatales par Jean Jouet et Ludovic Ferrand | LIEGE CREATIVE, 17.03.15

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L’optimisation énergétique des sites industriels est un enjeu de taille pour atteindre les objectifs de réduction de gaz à effet de serre visés par la Commission Européenne. Les solutions de récupération d’énergies fatales sont un des leviers pour réaliser cette optimisation, et tendre vers le Minimum d’Energie Requise pour un process, un groupe de process ou sur un périmètre plus large, intra ou extra-usine.
L’exposé fait l’état des lieux sur les possibilités techniques matures ou encore au stade d’innovation dans différents secteurs de l’industrie, comme l’élaboration des métaux ou l’agro-alimentaire. Les opportunités et freins à leur déploiement sont détaillés, en s’appuyant sur des exemples concrets traités par CMI.

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Optimisation énergétique globale des sites industriels : opportunités de valorisation des énergies fatales par Jean Jouet et Ludovic Ferrand | LIEGE CREATIVE, 17.03.15

  1. 1. Mardi 17 Mars Optimisation énergétique globale des sites industriels : opportunités de valorisation des énergies fatales Jean JOUET, CMI – CMI Industry Ludovic FERRAND, CMI Industry
  2. 2. Avec le soutien de :
  3. 3. | Optimisation énergétique Globale des sites industriels Opportunités de valorisation des énergies fatales Ludovic FERRAND, CMI Industry Energy Efficiency Jean JOUET, Président CMI Industry 17/03/15 1
  4. 4. | CMI Energy Efficiency 17/03/15 2  Une équipe d’experts pour l’Industrie:  en process thermiques,  Chauffage haute & basse température  Froid positif & négatif,  en valorisation de chaleur fatale,  en utilités.  Audits, Conception, Réalisation  Simulations & Mesures
  5. 5. | Quel rôle pour l’efficacité énergétique ?  L’Efficacité Energétique a et aura un rôle Majeur :  dans le défi de l’effet de serre  pour contrer la volatilité du coût des énergies  pour améliorer la compétitivité des industries pénalisées par leur coût énergie 17/03/15 3 Source : WEO 2014
  6. 6. | Cadre Européen sur le Climat-Energie  Plan Climat-Energie Européen 2008 : Fixe les objectifs 2020  20 % d’énergie renouvelable  20 % d’économie d’énergie  20 % de réduction des GES  Révision en octobre 2014 : de nouveaux objectifs pour 2030  Energies renouvelables : 20 % => +27 %  Efficacité énergétique : 20 % => +27 %  Réduction des émissions de GES : 20% => +40% 17/03/15 4
  7. 7. | Vue d’ensemble des gisements d’efficacité énergétique  Dans l’Industrie, une meilleure utilisation de l’énergie primaire reste un enjeux énorme 17/03/15 5
  8. 8. | Quelles industries concernées 17/03/15 6  Les transformateurs de matière première sont logiquement en première ligne pour la valorisation de chaleur perdue
  9. 9. | Diversité des équipements thermiques  Les niveaux de température sont très divers  Les gisements de chaleur non valorisée concernent tout le spectre 17/03/15 7
  10. 10. | Définition de la Chaleur ou Energie Fatale  Regroupe toutes les productions de chaleur dérivées d’un site industriel, qui n’en constitue pas l’objet premier  De fait, elle n’est pas forcément récupérée pour valorisation  Fumées chaudes en cheminées  Eaux de refroidissement  Solides chauds en sortie de process  … 17/03/15 8
  11. 11. | Place de la valorisation des chaleur fatales 17/03/15 9  La valorisation de la chaleur fatale est un gisement :  Très significatif  Et largement sous-exploité !
  12. 12. | Méthodologie Générale 17/03/15 10 Groupe de process thermiques et ses utilités Bonnes Pratiques Chasse au Gaspi Actions d’Optimisation Revalorisation des énergies fatales dans le périmètre usine Revalorisation des énergies fatales hors périmètre usine
  13. 13. | Matrice de décision associée 17/03/15 11 VALORISATION DE CHALEUR HORS PÉRIMÈTRE USINE OPTIMISATION DES ÉQUIPEMENTS VALORISATION DE CHALEUR DANS LE PÉRIMETRE USINE Niveau d’engagement Complexité 2 3 4 BONNES PRATIQUES 1
  14. 14. | Bonnes pratiques et chasse au gaspillage énergétique  Les trouvailles de gisements sont systématiques, parfois très importants  La « conscience énergétique » fait son chemin, et est portée par plusieurs facteurs :  La diffusion de la norme ISO50001  Les audits énergétiques règlementaires, norme EN16247  L’implication du management dans les actions d’efficacité énergétique, et sa mise en place dans l’organisation 17/03/15 12 1
  15. 15. | Bonnes pratiques et chasse au gaspillage énergétique  Les freins à la mise en place sont liés principalement aux organisations :  Focalisation sur le cœur de métier, la Qualité avant tout!  Tendance à optimiser les coûts de maintenance à court terme, au détriment des gains moyens et long terme  Difficulté à verrouiller et pérenniser les gains sur le long terme, le maintien des bonnes pratiques est une lutte de tous les jours. 17/03/15 13 1
  16. 16. | Illustration sur quelques exemples  Exemple typique de déperdition significatives : ouvertures de porte sur enceintes haute température 17/03/15 14 1
  17. 17. | Illustration sur quelques exemples  Exemple de chasse au fuites air comprimé dans une moyenne industrie  Fuites mesurées lors d’une fermeture site un dimanche : 1290 MWh/ an, soit 45% de la consommation totale d’air comprimé !  20% sont facilement éliminables, actions de réparation maintenance  Un investissement faible pour des gains immédiats 17/03/15 15 1
  18. 18. | Optimisation énergétique des process  Le process thermique est souvent un élément important de la qualité des produits manufacturés  Sa consommation d’énergie peut typiquement être optimisées, mais jamais au détriment de la qualité  Un bon niveau d’expertise est donc requis pour « toucher » au process en vue de réduire ses déperditions  Objectif : conserver le maximum d’énergie primaire en Energie Utile, et donc minimiser la chaleur fatale 17/03/15 16 2
  19. 19. | Quels outils pour l’optimisation des process  Depuis 1997, l’Europe organise l’échange d’information via des rapports en libre accès  Objectif : promouvoir la diffusion des Meilleures Techniques Disponibles dans l’Industrie 17/03/15 17 2
  20. 20. | Exemple : contrôle avancé du process  Le contrôle avancé consiste à :  donner le juste nécessaire d’énergie  Tout en préservant les objectifs qualité  Basé sur des modèles physiques  Typiquement 10 à 20% d’économie d’énergie 17/03/15 18 2
  21. 21. | Exemple : optimisation d’échangeur interne process  L’expertise des conditions de fonctionnement permet de transformer l’énergie fatale en énergie utile  Simplement par redimensionnement d’échangeur  Sur une installation de l’ordre de 50MW de consommation gaz, les gains se comptent en Dizaines de GWh valorisés par an. 17/03/15 19 2
  22. 22. | Exemple : variation de vitesse sur moteur  Les machines tournantes ont une consommation d’énergie importante, pour les hautes pressions / hauts débits  Ordre de grandeur :  100.000 Nm3/h à 100mbar ≈ 450kWe ! 17/03/15 20 2
  23. 23. | Exemple : variation de vitesse sur moteur  Implémenter une variation de vitesse des moteurs, couplé à un contrôle optimisé, permet de ne pas dissiper de l’énergie fatale  Retour d’expérience concret :  Avant opération : 4MWhe / jour  Après opération : 2.56MWhe/jour  Gain sur l’énergie fatale : 40% 17/03/15 21 2
  24. 24. | La Valorisation de chaleur dans le périmètre usine  Dans le cas idéal où les process sont optimisés, il reste toujours de l’énergie fatale : 17/03/15 22 3 Solides chauds Gaz chauds Liquides chauds
  25. 25. | Quelles voies de valorisation dans le périmètre usine  La méthodologie d’Intégration Energétique adresse précisément la vision de l’usine comme :  Des sources d’énergie disponibles  Des puits énergétique à satisfaire  Cette analyse permet d’inclure des contraintes :  Distances entre sources et puits  Eventuels déphasages temporels  Les courbes de coûts des échangeurs ou équipements de conversion de chaleur 17/03/15 23 3
  26. 26. | Quelles voies de valorisation dans le périmètre usine  Intégration Energétique : approche systématique :  Identification du MER : Minimum d’Energie Requis  Maximisation de la valorisation de chaleur fatale vers les flux froids à chauffer  Amélioration de l’utilisation des utilités  La démarche peut inciter à « déconstruire » pour mieux reconstruire les Chemins Energétiques 17/03/15 24 3
  27. 27. | Exemple d’intégration énergétique 17/03/15 25 Feed1 20°C Feed2 80°C H H 145°C 135°C Reactor 2 Reactor 1 170°C C 60°C 150°C C 30°C 260 kW 230 kW 330 kW 180 kW Pour chaque Flux : Températures Débits Contenu énergétique Pincement 3
  28. 28. | Exemple d’intégration énergétique  Etablissement des courbes composite 17/03/15 26 Flux chaud= Chaleur à dissiper T (°C) Q (kW) Flux froids = à réchauffer 30 °C 60 °C 170 °C 0 kW 45 kW 150 °C Stream 2 Stream 2 +4 Stream 4 3
  29. 29. | Exemple d’intégration énergétique  Aucun échange au départ 17/03/15 27 Flux chauds T (°C) Q (kW) Flux froids Besoins chauds externes Besoins froids 3
  30. 30. | Exemple d’intégration énergétique  Solution théorique : Minimum d’énergie requis 17/03/15 28 T (°C) Q (kW) ΔTmin 2 MER Hot MER Cold Internal heat exchanges 3
  31. 31. | Exemple d’intégration énergétique  Réseau d’échange techniquement réalisable 17/03/15 29 60 °C 170 °C 150 °C 30 °C 20 °C 135 °C 145 °C80 °C 60 kW 20 kW 20 kW C H H Hot utility = MER = 40 kW Cod utility = MER = 60 kW Hot savings = Current - MER = 450 kW 92 % reduction Cod savings = 450 kW 88 % reduction 3
  32. 32. | Exemple d’intégration énergétique  Choix final en fonction de la balance  Taille d’échangeur  Coût des utilités de chauffage 17/03/15 30 € ΔTmin Good compromise ΔTmin 2 ΔTmin 1 Utility requirement Investment costs Total 3
  33. 33. | Illustration : génération de vapeur sur fumées  Les rejets de fumées de combustion entre 200 et 400°C peuvent être valorisés pour générer de la vapeur  Utilisation dans le réseau usine, au niveau de pression requis  Attention à l’impact sur le circuit fumées, nécessitant un tirage supplémentaire par ventilateur- extracteur 17/03/15 31
  34. 34. | Illustration : récupération de chaleur sur TAR  Les Tours de refroidissement dissipent l’énergie des eaux de refroidissement process  L’intégration consiste à relever le niveau de température de 20-30°C à 55-60°C  Par la mise en place d’une Pompe à Chaleur  Le nouveau flux à 55°C est valorisable :  Pour le chauffage des bâtiments  Pour du chauffage de bain de process  Pour diminuer la consommation d’une chaudière 17/03/15 32 3
  35. 35. | Illustration : conversion sur solides chauds  Des pièces forgées à chauds subissent un refroidissement contrôlé  La chaleur des pièces est récupérable dans un tunnel de refroidissement contrôlé, qui génère de l’air à 200°C  Cet air à 200°C est valorisé pour diminuer la consommation d’un réseau vapeur 17/03/15 33 3
  36. 36. | Valorisation de chaleur hors périmètre usine  Il y a souvent plus de chaleur disponible dans un périmètre usine, que de besoins  La chaleur fatale en excès peut être convertie :  En électricité, via des machines thermodynamiques  En Eau Chaude Surchauffée 65°C ou 120°C 17/03/15 34 4
  37. 37. | Conversion Thermique / Electrique  Les machines de type Rankine à vapeur d’eau sont connues industriellement depuis longtemps  Bien adaptés pour les chaleurs disponibles à haute température, et pour les puissances élevées, typiquement supérieures à 3MWelec. 17/03/15 35 4
  38. 38. | Illustration – Cycle Rankine classique  Evaporateur-Surchauffeur récupérant l’énergie de fumées chaudes de four sidérurgique  Turbine de 3MWe  Génération de 14GWhe / an 17/03/15 36 4
  39. 39. | Cycles Rankine Organique - ORC  Les ORC adoptent le même principe physique, mais en utilisant un autre fluide, vaporisant à plus basse température  Ces machines ont les avantages suivants:  Bien adaptées aux sources à T° moyenne, entre 150°C et 300°C  Très peu de maintenance  Adaptées aux puissances électriques entre 100kWe et 2MWe 17/03/15 37 4
  40. 40. | Leviers / Freins au déploiement de la conversion électrique  La conversion électrique à l’avantage de générer une énergie de haute qualité, valorisable de façon immédiate  La rentabilité reste le frein majeur  Les process intermittents pénalisent la rentabilité, les machines ne produisant pas à bas régime  La maîtrise du process est importante pour une intégration des machines réussie 17/03/15 38 4
  41. 41. | Valorisation vers des réseaux de chaleur  En 2015 en France, le Fonds Chaleur soutient une nouvelle thématique :  Projets liés aux systèmes de captage de la chaleur dans le cadre de la valorisation vers un réseau de chaleur externe (réseaux avec un ou plusieurs clients raccordés)  Cette tendance doit permettre de généraliser les couplages entre industries et collectivités 17/03/15 39 4
  42. 42. | Illustration : récupération de chaleur d’une aciérie  Objectif : production d’eau à 120°C pour alimenter un réseau de chaleur 17/03/15 40 Circuit fumées refroidi eau Arrivée eau 70 C Sortie Eau 120 C CMI RIVA CMI Dalkia Unité de traitement chimique Groupe de relevage de pression Chambre de Post- Combustion Quench Réservoir Economiseur Fumées /Eau Cheminée Cheminée CMI RIVA Electricité (transformateur, …) Vase d’esxpansion 4
  43. 43. | Opportunités / freins pour cette valorisation  Les réseaux de chaleur urbains ne sont pas toujours présents : problème d’acceptabilité de la population, habitude du chauffage individuel…  Les sites industriels s’éloignent des centres urbains, 1km de réseau à 120°C a un coût !  Mais les pouvoirs publics reconnaissent la pertinence de la démarche, et peuvent soutenir les investissements 17/03/15 41 4
  44. 44. | Synthèse  Les technologies ne manquent pas pour réduire massivement les énergies fatales, et donc diminuer le recours aux énergies primaires.  Une méthodologie est nécessaire pour prioriser les actions, depuis les bonnes pratiques à la recherche de valorisation hors périmètre usine  La recherche de financement est ensuite au cœur des débats, car de nombreuses solutions présentent des rentabilités entre 3 et 5 ans  L’énergie n’est pas encore assez chère pour un engagement massif, d’autant que certaines industries bénéficient de tarifs indépendants du Marché.  L’effet conjoncturel (baril de pétrole) et l’évolution rapide de la législation n’aident pas à la prise de décision long-termiste. 17/03/15 42
  45. 45. | Perspectives  Le dispositif juridique en Europe facilite d’ores et déjà certains types d’action  Le marché du 1/3 investissement se développe peu à peu, il est déjà très mature dans d’autres régions du monde comme aux USA  Les technologies évoluent pour abaisser les coûts de la conversion de chaleur : échangeurs, machines thermodynamiques  Les acteurs de la R&D sont également très actifs sur ces sujets : ORC, stockage d’énergie, etc. 17/03/15 43
  46. 46. | www.cmigroupe.com Mercienergy.efficiency@cmigroupe.com 17/03/15 44

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