SlideShare une entreprise Scribd logo
1  sur  28
Télécharger pour lire hors ligne
Mercredi, 9 novembre 2022
La perte d’énergie fatale n’est plus une fatalité
Vincent Lemort, Professeur, Laboratoire de Thermodynamique
(ULiège)
Constant Beerden, Responsable de production (Cristallerie du Val
Saint Lambert)
LIEGE CREATIVE, en partenariat avec :
Chaleur fatale: quelques
solu/ons pour le
couplage au secteur de
l’électricité
Vincent Lemort & collègues
« La perte d’énergie fatale n’est plus une fatalité »
Seraing, le 9 novembre 2022
Trinec, Tchéquie, Octobre 2022
Introduction
Chaleur fatale: origine et gisement
2
Liège, vers 1846:
« Les eaux chaudes provenant des chaudières ou de la
condensation de l’eau des machines à vapeur, celles qui
s’échappement en abondance de certains établissements
industriels [sont] versées dans les égouts publics […]. On sait […]
que les eaux chaudes ont la propriété de hâter la putréfaction des
matières animales et végétales contenues dans les égouts, et
qu’elles augmentent par conséquent l’insalubrité de ceux qu’elles
parcourent »
« Mémoire de la Commission médicale de la province de Liège », dans Enquête sur la conditions des classes ouvrières et sur le travail des
enfants, t.3., Bruxelles, 1846-48, p. 586, In: LEBOUTTE, René, PUISSANT Jean, et SCUTO Denis, Un siècle… sociétés, op. cit., p.19. En ce qui
concerne les chiffres liés à la production de fonte sont repris, Leboutte et al. font référence à Asselain Jean-Charles, Histoire économique. De la
révolution industrielle à la première guerre mondiale, Paris, 1991, 77.
Introduction
Chaleur fatale: origine et gisement
Aujourd’hui:
3
o Poten&el en EU28: sources
inférieures à 200°C pour pompe à
chaleur
Source: Marina et al., 2021
o Estimation du potentiel de
récupération de chaleur fatale en
Wallonie
Source: Wallonie énergie SPW, 2021
Objectif de la présentation
Apporter des éléments de réponse aux questions techniques suivantes:
1. Comment quantifier la quantité de chaleur disponible?
2. Quelle technique de valorisation est la mieux appropriée?
3. Quelles sont les difficultés techniques à anticiper?
4. Quelles sont les pistes actuelles de R&D ?
… sur base d’un cas d’étude: le four au gaz de la Cristallerie du Val Saint Lambert
4
Quan6fica6on de la source de chaleur
Difficultés
o Manque de mesures (températures,
débits)
o Composi*on des fumées (gaz,
parFcules) ?
Rem: chaleur fatale sous forme liquide
est plus simple à caaraactériser/exploiter.
o Caractère dynamique (variaFon
temporelle de la source): liée à la
fréquence des cycles du procedé
industriel.
5
Recuperator
Burner
Furnace
Chimney
Quan6fica6on de la source de chaleur
Difficultés
6
o EvaluaFon du débit/température des fumées sur base de
différentes hypothèses, données constructeur et
consommaFon de gaz naturel.
o EvaluaFon plus complexe si combusFble = mélanges de
gaz
Techniques de valorisa6on
Ensemble des techniques
7
H
e
a
t
-
t
o
-
h
e
a
t
H
e
a
t
-
t
o
-
p
o
w
e
r
P
o
w
e
r
-
t
o
-
h
e
a
t
-
t
o
-
p
o
w
e
r
H
e
a
t
-
t
o
-
c
o
o
l
Designed by rawpixel.com / Freepik
Techniques de valorisa6on – H2C
Machines frigorifiques à sorp>on, à éjecteur
o AbsorpFon: Technologie éprouvée.
§ ValorisaFon à parFr de 80°C.
§ Limite maximale: ca. 200°C (corrosion).
§ COP: ca. 0.7-1.2.
o AdsorpFon: moins commercialisée.
§ ValorisaFon à parFr de 70°C.
§ ProducFon cyclique.
§ Problèmes de tenue au vide.
§ COP: ca. 0.4-0.6
o A éjecteur: Technologie peu développée.
§ Faible COP (<0.5).
§ DégradaFon performance en dehors
point nominal.
8
Chiller à sorption,
éjecteur
̇
𝑄!
̇
𝑄"
̇
𝑄#
𝐶𝑂𝑃 =
̇
𝑄!
̇
𝑄"
100°C
25°C
5°C
Designed by rawpixel.com / Freepik
Techniques de valorisation – H2H
Pompes à chaleur à sorption
9
o “amplificateur” de puissance termique (COP:
ca. 1.2-1.7)
o Faible consommaFon électrique
o Possibilité de travailler en “heat transformer”
PAC à sorp9on
̇
𝑄! = 0.4
̇
𝑄" = 1
̇
𝑄# = 1,4
𝐶𝑂𝑃 =
̇
𝑄#
̇
𝑄"
150°C
70°C
30°C
PAC gaz de 18.9 kW: COP max de 1.4 (Cycle
NH3-H2O)
Designed by rawpixel.com / Freepik
Techniques de valorisa6on – H2H
Pompes à chaleur à compression de vapeur
10
o Regain d’intérêt significatif depuis moins d’un an
o Produits commercialisés jusque 150°C (limite
imposée par réfrigérants “classiques”).
o Températures plus élevées:
o Recompression de vapeur (160-170°C)
o R718 (eau): 250-300°C, TRL plus faible
(multiétagé, huile)
o Hydrocarbures avec des Tcrit élevées
o Cycles de Stirling R704 (200-250°C), Brayton
R744 (théoriquement 500°C)
PAC
Source: Arpagaus et al. (2018)
𝐶𝑂𝑃 =
̇
𝑄"
̇
𝑊$%
̇
𝑄!
̇
𝑄"
̇
𝑊$%
Designed by rawpixel.com / Freepik
Techniques de valorisation – H2P
ORC (Organic Rankine Cycle)
11
ORC
Evaporator
Recuperator
Feed pump
Condenser
Turbine
Heat
source
Heat sink
Solar radiation,
geothermal heat,
biomass fuel,
WHR…
Low-temp heat for
heaCng(/cooling)
applicaCon
Mechanical
energy or
electricity
o UFlisaFon d’un fluide organique (réfrigérants de synthèses, HC)
o Faibles points normaux d’ébulli*on: bien adaptés à la récupéraFon de
chaleur à basse et moyenne temp. avec des sources de capacités
limitées
o Moteur à combus*on externe
o Peut être uFlisé en cogénéraFon
̇
𝑄!
̇
𝑄"
̇
𝑊$%
𝜂 =
̇
𝑊$%
̇
𝑄"
Designed by rawpixel.com / Freepik
Source: Wieland, Christoph & Dawo, Fabian & Schifflechner, Christopher & Astolfi, Marco. (2022). Market report on Organic
Rankine Cycle power systems: recent developments and outlook. 10.14459/2021mp1636584.
12
Techniques de valorisa6on – H2P
Machines à cycle de Rankine – ORC: marché
13
Source: Wieland, Christoph & Dawo, Fabian & Schifflechner, Christopher & Astolfi, Marco. (2022). Market report on Organic
Rankine Cycle power systems: recent developments and outlook. 10.14459/2021mp1636584.
Techniques de valorisation – H2P
Machines à cycle de Rankine – ORC: marché
14
Techniques de valorisation – H2P
ORC: boucle de récupération
o Perte de charge influence procédé.
o Prévoir un by-pass.
o Chute de température diminue Frage.
o Point de rosée des fumées:
condensaFon acide, colmatage.
o Ecoulement abrasif.
o 50% du coût global.
15
Techniques de valorisa6on – H2P
ORC: boucle de récupéra>on
o Boucle huile => possibilité de stockage
thermique:
• Pallie fluctuaFons source
• Augmente fréquence uFlisaFon de
l’ORC, stabilise son régime Stockage
thermique
16
Techniques de valorisation – H2P
ORC: boucle de récupération
o Évaporation directe
§ Une barrière thermique en moins
§ Points chaud: dégradation huile/fluide
§ Inertie thermique plus faible => perte de
contrôlabilité
§ Plus difficile de stocker la chaleur
17
Techniques de valorisa6on – H2P
ORC: boucle de récupéra>on
o UFlisaFon de caloducs (à thermosyphons)
Projet Beware ORCAL (2015-2016)
Source: Le et al., 2017
18
Techniques de valorisation – H2P
ORC: Refroidissement de l’ORC
o ORC introduit une demande de
refroidissement (condenseur à air ou à
eau avec tour de refroidissement)
Power-to-heat-to-power – P2H2P
BaLeries de Carnot
19
PAC ORC
Stockage
Thermique
(TES)
Round-trip effieincy: 𝜀&' =
̇
)!",$%&
̇
)!",'(&
̇
𝑊$%,+,-
̇
𝑊$%,./-
𝜀&' = 𝜂012 . 𝐶𝑂𝑃./-. 𝜂+,- = 𝑔./-
𝑇34'
𝑇34' − 𝑇54%6
𝑔+,- 1 −
𝑇54%6
𝑇34'
= 𝑔". 𝑔,-
Le rendement charge-décharge ne dépasse pas facilement des valeurs de 50%
20
Power-to-heat-to-power – P2H2P
BaLeries de Carnot
Power-to-heat-to-power – P2H2P
Batteries de Carnot
21
PAC ORC
Stockage
Thermique
(TES)
̇
𝑊$%,+,-
̇
𝑊$%,./-
𝜀!" = 𝜂#$%. 𝐶𝑂𝑃&'(. 𝜂)*(
“Proximité technique” entre les composant d’une pompe à chaleur et d’un ORC.
=>Peut-on développer une “unité réversible” (inversible) ORC/PAC? (question déjà posée en 2006)
Heat Pump ORC Reversible HP/ORC
Working
fluid
Working
fluid
22
Power-to-heat-to-power – P2H2P
BaLeries de Carnot
23
Power-to-heat-to-power – P2H2P
Batteries de Carnot
o Démonstrateur conçu avec des
composants de l’HVAC
o Roundtrip efficiency de 72.5%
o Processus de création d’une spin-off.
Produit:
ü Compacité > 10 kWh/m3
ü Durée de stockage > 72h
ü Rendement charge-décharge > 90 %
ü Coût d'achat < 500€ / kWh
ü Optimisé et modulable
ü Durée de vie > 25 ans
Conclusions
o Techniques à TRL élevés pour la récupéraFon et valorisaFon de la chaleur
fatale (pour la producFon de chaleur, de froid, d’électricité et pour le
stockage de l’électricité).
o Le potenFel de développement technique reste très important
ü PAC à très haute haute température.
ü ORC pour la récupéraFon de chaleur à très basse température.
ü UFlisaFon de fluides naturels (CO2, cyclopentane,…)
ü IntégraFon de la récupéraFon dans le process.
ü Services aux réseaux offerts par une baserie de Carnot.
o Modèle économique est tout aussi important que les quesFons
techniques:
ü SouFent d’une société Ferce (ESCO ou invesFsseur) pour le
financement, montage et l’exploitaFon du projet de récupéraFon (PPA
, leasing).
ü CerFficats d’économie d’énergie (CEE en France); Aides (UDE en RW).
24
Merci pour votre attention!
Merci aux contributeurs à cette présentation
Vincent Lemort
Vincent.Lemort@uliege.be
Thermodynamics Laboratory
University of Liège
Belgium
25
Sources
• Arpagaus C., Bless F., Uhlmann M., Büchel E., Frei S., Schiffmann J., and Bertsch S. 2018. High
temperature heat pump using HFO and HCFO refrigerants - System design, simulaMon, and first
experimental results. Proceeding of the InternaMonal RefrigeraMon and Air CondiMoning
Conference.
• Le, V. L., Declaye, S., Dumas, X., Ferrand, L., & Lemort, V. (2017, June 01). Waste Heat Recovery by
Means of Organic Rankine Cycle (ORC) System Coupled with Two-Phase Closed Thermosyphons.
InternaMonal Journal of Thermodynamics. h]p://hdl.handle.net/2268/211971
• A. Marina, S. Spoelstra, H.A. Zondag, A.K. Wemmers, An esMmaMon of the European industrial
heat pump market potenMal, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 139, 2021,
110545, ISSN 1364-0321, h]ps://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110545
• Wallonie énergie SPW, DIRECTIVE D’EFFICACITE ENERGETIQUE 2012/27/EU ART.14 POTENTIEL D
’EFFICACITE EN MATIERE DE CHALEUR ET DE FROID, Stratégie de réseaux de chaleur et de froid
alimentés par des cogénéraMons, des énergies fatales ou des sources d’énergies renouvelable,
2021
• Wieland, Christoph & Dawo, Fabian & Schifflechner, Christopher & Astolfi, Marco. (2022). Market
report on Organic Rankine Cycle power systems: recent developments and outlook.
10.14459/2021mp1636584
26

Contenu connexe

Similaire à La perte d’énergie fatale n’est plus une fatalité

Ibam chauffe eau solaire maroc 17fevrier2014
Ibam chauffe eau solaire maroc 17fevrier2014Ibam chauffe eau solaire maroc 17fevrier2014
Ibam chauffe eau solaire maroc 17fevrier2014
maithassou
 
JdCHE19 - Développement d'un échangeur -accumulateur de chaleur pour une mais...
JdCHE19 - Développement d'un échangeur -accumulateur de chaleur pour une mais...JdCHE19 - Développement d'un échangeur -accumulateur de chaleur pour une mais...
JdCHE19 - Développement d'un échangeur -accumulateur de chaleur pour une mais...
Synhera
 
La GéOthermie Diapo20374499
La GéOthermie Diapo20374499La GéOthermie Diapo20374499
La GéOthermie Diapo20374499
guestba7adfb
 
Conception et calcul des chaudières
Conception et calcul des chaudièresConception et calcul des chaudières
Conception et calcul des chaudières
ghoust
 

Similaire à La perte d’énergie fatale n’est plus une fatalité (20)

Livret technique : comprendre et choisir la géothermie - Ademe
Livret technique : comprendre et choisir la géothermie - AdemeLivret technique : comprendre et choisir la géothermie - Ademe
Livret technique : comprendre et choisir la géothermie - Ademe
 
Présentation PowerPoint énérgie nucléaire - Copie.pptx
Présentation PowerPoint énérgie nucléaire - Copie.pptxPrésentation PowerPoint énérgie nucléaire - Copie.pptx
Présentation PowerPoint énérgie nucléaire - Copie.pptx
 
140930 Présentation IMN groupe stockage d'energie
140930 Présentation IMN groupe stockage d'energie140930 Présentation IMN groupe stockage d'energie
140930 Présentation IMN groupe stockage d'energie
 
Ibam chauffe eau solaire maroc 17fevrier2014
Ibam chauffe eau solaire maroc 17fevrier2014Ibam chauffe eau solaire maroc 17fevrier2014
Ibam chauffe eau solaire maroc 17fevrier2014
 
2016 portfolio efficacite energetique industrie
2016 portfolio efficacite energetique industrie2016 portfolio efficacite energetique industrie
2016 portfolio efficacite energetique industrie
 
Présentation de mon projet de fin d'études
Présentation de mon projet de fin d'étudesPrésentation de mon projet de fin d'études
Présentation de mon projet de fin d'études
 
Efficacité énergétique : Les promesses du numérique
Efficacité énergétique : Les promesses du numériqueEfficacité énergétique : Les promesses du numérique
Efficacité énergétique : Les promesses du numérique
 
GT Géothermie dans les hôpitaux
GT Géothermie dans les hôpitauxGT Géothermie dans les hôpitaux
GT Géothermie dans les hôpitaux
 
GT Géothermie dans les hôpitaux
GT Géothermie dans les hôpitauxGT Géothermie dans les hôpitaux
GT Géothermie dans les hôpitaux
 
Présentation Mikael Le Borgne - ETT - projet ABSOHP
Présentation Mikael Le Borgne - ETT - projet ABSOHPPrésentation Mikael Le Borgne - ETT - projet ABSOHP
Présentation Mikael Le Borgne - ETT - projet ABSOHP
 
JdCHE19 - Développement d'un échangeur -accumulateur de chaleur pour une mais...
JdCHE19 - Développement d'un échangeur -accumulateur de chaleur pour une mais...JdCHE19 - Développement d'un échangeur -accumulateur de chaleur pour une mais...
JdCHE19 - Développement d'un échangeur -accumulateur de chaleur pour une mais...
 
DOSSIER_PRESSE
DOSSIER_PRESSEDOSSIER_PRESSE
DOSSIER_PRESSE
 
groupe_froid.ppt
groupe_froid.pptgroupe_froid.ppt
groupe_froid.ppt
 
La GéOthermie Diapo20374499
La GéOthermie Diapo20374499La GéOthermie Diapo20374499
La GéOthermie Diapo20374499
 
Rapport de stage principe de fonctionnement d'une centrale thermique à vapeur
Rapport de stage principe de fonctionnement d'une centrale thermique à vapeurRapport de stage principe de fonctionnement d'une centrale thermique à vapeur
Rapport de stage principe de fonctionnement d'une centrale thermique à vapeur
 
Catalogue COSSECO 2014 - Pompe à Chaleur Photovoltaïque
Catalogue COSSECO 2014 - Pompe à Chaleur PhotovoltaïqueCatalogue COSSECO 2014 - Pompe à Chaleur Photovoltaïque
Catalogue COSSECO 2014 - Pompe à Chaleur Photovoltaïque
 
Conception et calcul des chaudières
Conception et calcul des chaudièresConception et calcul des chaudières
Conception et calcul des chaudières
 
110509 ibam chauffage
110509 ibam chauffage110509 ibam chauffage
110509 ibam chauffage
 
Compte rendu n°3(pompe a chaleur)
Compte rendu n°3(pompe a chaleur)Compte rendu n°3(pompe a chaleur)
Compte rendu n°3(pompe a chaleur)
 
heat exchanger
heat exchangerheat exchanger
heat exchanger
 

Plus de LIEGE CREATIVE

Brasseries et écologie, faut-il se mettre la pression ?
Brasseries et écologie, faut-il se mettre la pression ?Brasseries et écologie, faut-il se mettre la pression ?
Brasseries et écologie, faut-il se mettre la pression ?
LIEGE CREATIVE
 
Et si on accordait une place aux émotions, en entreprise ?
Et si on accordait une place aux émotions, en entreprise ?Et si on accordait une place aux émotions, en entreprise ?
Et si on accordait une place aux émotions, en entreprise ?
LIEGE CREATIVE
 
Créativité dans le design mécanique à l’aide de l’optimisation topologique
Créativité dans le design mécanique à l’aide de l’optimisation topologiqueCréativité dans le design mécanique à l’aide de l’optimisation topologique
Créativité dans le design mécanique à l’aide de l’optimisation topologique
LIEGE CREATIVE
 
La carte ardente : une solution d'accès aux droits fondamentaux ?
La carte ardente : une solution d'accès aux droits fondamentaux ?La carte ardente : une solution d'accès aux droits fondamentaux ?
La carte ardente : une solution d'accès aux droits fondamentaux ?
LIEGE CREATIVE
 
Quand le secteur de la construction innove pour devenir circulaire et bas car...
Quand le secteur de la construction innove pour devenir circulaire et bas car...Quand le secteur de la construction innove pour devenir circulaire et bas car...
Quand le secteur de la construction innove pour devenir circulaire et bas car...
LIEGE CREATIVE
 
Le point sur les traitements d’eau adaptés aux micropolluants organiques et i...
Le point sur les traitements d’eau adaptés aux micropolluants organiques et i...Le point sur les traitements d’eau adaptés aux micropolluants organiques et i...
Le point sur les traitements d’eau adaptés aux micropolluants organiques et i...
LIEGE CREATIVE
 
Vers un écosystème unique en Wallonie pour l’innovation dans le secteur aéron...
Vers un écosystème unique en Wallonie pour l’innovation dans le secteur aéron...Vers un écosystème unique en Wallonie pour l’innovation dans le secteur aéron...
Vers un écosystème unique en Wallonie pour l’innovation dans le secteur aéron...
LIEGE CREATIVE
 
Le sens : l’enjeu d’aujourd’hui
Le sens : l’enjeu d’aujourd’huiLe sens : l’enjeu d’aujourd’hui
Le sens : l’enjeu d’aujourd’hui
LIEGE CREATIVE
 
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
LIEGE CREATIVE
 
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
LIEGE CREATIVE
 
Vers des solutions low-tech en entreprise ?
Vers des solutions low-tech en entreprise ?Vers des solutions low-tech en entreprise ?
Vers des solutions low-tech en entreprise ?
LIEGE CREATIVE
 
Le parcours d’une batterie lithium-ion en fin de vie, les défis du recyclage
Le parcours d’une batterie lithium-ion en fin de vie, les défis du recyclageLe parcours d’une batterie lithium-ion en fin de vie, les défis du recyclage
Le parcours d’une batterie lithium-ion en fin de vie, les défis du recyclage
LIEGE CREATIVE
 

Plus de LIEGE CREATIVE (20)

Vers des maisons sobres ?
Vers des maisons sobres ?Vers des maisons sobres ?
Vers des maisons sobres ?
 
Brasseries et écologie, faut-il se mettre la pression ?
Brasseries et écologie, faut-il se mettre la pression ?Brasseries et écologie, faut-il se mettre la pression ?
Brasseries et écologie, faut-il se mettre la pression ?
 
Et si on accordait une place aux émotions, en entreprise ?
Et si on accordait une place aux émotions, en entreprise ?Et si on accordait une place aux émotions, en entreprise ?
Et si on accordait une place aux émotions, en entreprise ?
 
Créativité dans le design mécanique à l’aide de l’optimisation topologique
Créativité dans le design mécanique à l’aide de l’optimisation topologiqueCréativité dans le design mécanique à l’aide de l’optimisation topologique
Créativité dans le design mécanique à l’aide de l’optimisation topologique
 
La carte ardente : une solution d'accès aux droits fondamentaux ?
La carte ardente : une solution d'accès aux droits fondamentaux ?La carte ardente : une solution d'accès aux droits fondamentaux ?
La carte ardente : une solution d'accès aux droits fondamentaux ?
 
Vers une comptabilité adaptée au renouvellement de l’environnement
Vers une comptabilité adaptée au renouvellement de l’environnementVers une comptabilité adaptée au renouvellement de l’environnement
Vers une comptabilité adaptée au renouvellement de l’environnement
 
Oser la circularité dans les projets immobiliers
Oser la circularité dans les projets immobiliersOser la circularité dans les projets immobiliers
Oser la circularité dans les projets immobiliers
 
Quand le secteur de la construction innove pour devenir circulaire et bas car...
Quand le secteur de la construction innove pour devenir circulaire et bas car...Quand le secteur de la construction innove pour devenir circulaire et bas car...
Quand le secteur de la construction innove pour devenir circulaire et bas car...
 
Le point sur les traitements d’eau adaptés aux micropolluants organiques et i...
Le point sur les traitements d’eau adaptés aux micropolluants organiques et i...Le point sur les traitements d’eau adaptés aux micropolluants organiques et i...
Le point sur les traitements d’eau adaptés aux micropolluants organiques et i...
 
Vers un écosystème unique en Wallonie pour l’innovation dans le secteur aéron...
Vers un écosystème unique en Wallonie pour l’innovation dans le secteur aéron...Vers un écosystème unique en Wallonie pour l’innovation dans le secteur aéron...
Vers un écosystème unique en Wallonie pour l’innovation dans le secteur aéron...
 
La brevetabilité dans le cas des méthodes thérapeutiques et de diagnostics
La brevetabilité dans le cas des méthodes thérapeutiques et de diagnosticsLa brevetabilité dans le cas des méthodes thérapeutiques et de diagnostics
La brevetabilité dans le cas des méthodes thérapeutiques et de diagnostics
 
Intégration des énergies renouvelables dans les réseaux basse tension. Quelle...
Intégration des énergies renouvelables dans les réseaux basse tension. Quelle...Intégration des énergies renouvelables dans les réseaux basse tension. Quelle...
Intégration des énergies renouvelables dans les réseaux basse tension. Quelle...
 
Le sens : l’enjeu d’aujourd’hui
Le sens : l’enjeu d’aujourd’huiLe sens : l’enjeu d’aujourd’hui
Le sens : l’enjeu d’aujourd’hui
 
La force du collectif, un véritable levier d'action
La force du collectif, un véritable levier d'actionLa force du collectif, un véritable levier d'action
La force du collectif, un véritable levier d'action
 
La force du collectif, un véritable levier d'action
La force du collectif, un véritable levier d'actionLa force du collectif, un véritable levier d'action
La force du collectif, un véritable levier d'action
 
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
 
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
L'entrepreneuriat au service de la post-croissance ?
 
Vers des solutions low-tech en entreprise ?
Vers des solutions low-tech en entreprise ?Vers des solutions low-tech en entreprise ?
Vers des solutions low-tech en entreprise ?
 
Le parcours d’une batterie lithium-ion en fin de vie, les défis du recyclage
Le parcours d’une batterie lithium-ion en fin de vie, les défis du recyclageLe parcours d’une batterie lithium-ion en fin de vie, les défis du recyclage
Le parcours d’une batterie lithium-ion en fin de vie, les défis du recyclage
 
Le Digital twin, un outil pour améliorer la mobilité urbaine
Le Digital twin, un outil pour améliorer la mobilité urbaineLe Digital twin, un outil pour améliorer la mobilité urbaine
Le Digital twin, un outil pour améliorer la mobilité urbaine
 

La perte d’énergie fatale n’est plus une fatalité

  • 1. Mercredi, 9 novembre 2022 La perte d’énergie fatale n’est plus une fatalité Vincent Lemort, Professeur, Laboratoire de Thermodynamique (ULiège) Constant Beerden, Responsable de production (Cristallerie du Val Saint Lambert)
  • 2. LIEGE CREATIVE, en partenariat avec :
  • 3. Chaleur fatale: quelques solu/ons pour le couplage au secteur de l’électricité Vincent Lemort & collègues « La perte d’énergie fatale n’est plus une fatalité » Seraing, le 9 novembre 2022 Trinec, Tchéquie, Octobre 2022
  • 4. Introduction Chaleur fatale: origine et gisement 2 Liège, vers 1846: « Les eaux chaudes provenant des chaudières ou de la condensation de l’eau des machines à vapeur, celles qui s’échappement en abondance de certains établissements industriels [sont] versées dans les égouts publics […]. On sait […] que les eaux chaudes ont la propriété de hâter la putréfaction des matières animales et végétales contenues dans les égouts, et qu’elles augmentent par conséquent l’insalubrité de ceux qu’elles parcourent » « Mémoire de la Commission médicale de la province de Liège », dans Enquête sur la conditions des classes ouvrières et sur le travail des enfants, t.3., Bruxelles, 1846-48, p. 586, In: LEBOUTTE, René, PUISSANT Jean, et SCUTO Denis, Un siècle… sociétés, op. cit., p.19. En ce qui concerne les chiffres liés à la production de fonte sont repris, Leboutte et al. font référence à Asselain Jean-Charles, Histoire économique. De la révolution industrielle à la première guerre mondiale, Paris, 1991, 77.
  • 5. Introduction Chaleur fatale: origine et gisement Aujourd’hui: 3 o Poten&el en EU28: sources inférieures à 200°C pour pompe à chaleur Source: Marina et al., 2021 o Estimation du potentiel de récupération de chaleur fatale en Wallonie Source: Wallonie énergie SPW, 2021
  • 6. Objectif de la présentation Apporter des éléments de réponse aux questions techniques suivantes: 1. Comment quantifier la quantité de chaleur disponible? 2. Quelle technique de valorisation est la mieux appropriée? 3. Quelles sont les difficultés techniques à anticiper? 4. Quelles sont les pistes actuelles de R&D ? … sur base d’un cas d’étude: le four au gaz de la Cristallerie du Val Saint Lambert 4
  • 7. Quan6fica6on de la source de chaleur Difficultés o Manque de mesures (températures, débits) o Composi*on des fumées (gaz, parFcules) ? Rem: chaleur fatale sous forme liquide est plus simple à caaraactériser/exploiter. o Caractère dynamique (variaFon temporelle de la source): liée à la fréquence des cycles du procedé industriel. 5 Recuperator Burner Furnace Chimney
  • 8. Quan6fica6on de la source de chaleur Difficultés 6 o EvaluaFon du débit/température des fumées sur base de différentes hypothèses, données constructeur et consommaFon de gaz naturel. o EvaluaFon plus complexe si combusFble = mélanges de gaz
  • 9. Techniques de valorisa6on Ensemble des techniques 7 H e a t - t o - h e a t H e a t - t o - p o w e r P o w e r - t o - h e a t - t o - p o w e r H e a t - t o - c o o l Designed by rawpixel.com / Freepik
  • 10. Techniques de valorisa6on – H2C Machines frigorifiques à sorp>on, à éjecteur o AbsorpFon: Technologie éprouvée. § ValorisaFon à parFr de 80°C. § Limite maximale: ca. 200°C (corrosion). § COP: ca. 0.7-1.2. o AdsorpFon: moins commercialisée. § ValorisaFon à parFr de 70°C. § ProducFon cyclique. § Problèmes de tenue au vide. § COP: ca. 0.4-0.6 o A éjecteur: Technologie peu développée. § Faible COP (<0.5). § DégradaFon performance en dehors point nominal. 8 Chiller à sorption, éjecteur ̇ 𝑄! ̇ 𝑄" ̇ 𝑄# 𝐶𝑂𝑃 = ̇ 𝑄! ̇ 𝑄" 100°C 25°C 5°C Designed by rawpixel.com / Freepik
  • 11. Techniques de valorisation – H2H Pompes à chaleur à sorption 9 o “amplificateur” de puissance termique (COP: ca. 1.2-1.7) o Faible consommaFon électrique o Possibilité de travailler en “heat transformer” PAC à sorp9on ̇ 𝑄! = 0.4 ̇ 𝑄" = 1 ̇ 𝑄# = 1,4 𝐶𝑂𝑃 = ̇ 𝑄# ̇ 𝑄" 150°C 70°C 30°C PAC gaz de 18.9 kW: COP max de 1.4 (Cycle NH3-H2O) Designed by rawpixel.com / Freepik
  • 12. Techniques de valorisa6on – H2H Pompes à chaleur à compression de vapeur 10 o Regain d’intérêt significatif depuis moins d’un an o Produits commercialisés jusque 150°C (limite imposée par réfrigérants “classiques”). o Températures plus élevées: o Recompression de vapeur (160-170°C) o R718 (eau): 250-300°C, TRL plus faible (multiétagé, huile) o Hydrocarbures avec des Tcrit élevées o Cycles de Stirling R704 (200-250°C), Brayton R744 (théoriquement 500°C) PAC Source: Arpagaus et al. (2018) 𝐶𝑂𝑃 = ̇ 𝑄" ̇ 𝑊$% ̇ 𝑄! ̇ 𝑄" ̇ 𝑊$% Designed by rawpixel.com / Freepik
  • 13. Techniques de valorisation – H2P ORC (Organic Rankine Cycle) 11 ORC Evaporator Recuperator Feed pump Condenser Turbine Heat source Heat sink Solar radiation, geothermal heat, biomass fuel, WHR… Low-temp heat for heaCng(/cooling) applicaCon Mechanical energy or electricity o UFlisaFon d’un fluide organique (réfrigérants de synthèses, HC) o Faibles points normaux d’ébulli*on: bien adaptés à la récupéraFon de chaleur à basse et moyenne temp. avec des sources de capacités limitées o Moteur à combus*on externe o Peut être uFlisé en cogénéraFon ̇ 𝑄! ̇ 𝑄" ̇ 𝑊$% 𝜂 = ̇ 𝑊$% ̇ 𝑄" Designed by rawpixel.com / Freepik
  • 14. Source: Wieland, Christoph & Dawo, Fabian & Schifflechner, Christopher & Astolfi, Marco. (2022). Market report on Organic Rankine Cycle power systems: recent developments and outlook. 10.14459/2021mp1636584. 12 Techniques de valorisa6on – H2P Machines à cycle de Rankine – ORC: marché
  • 15. 13 Source: Wieland, Christoph & Dawo, Fabian & Schifflechner, Christopher & Astolfi, Marco. (2022). Market report on Organic Rankine Cycle power systems: recent developments and outlook. 10.14459/2021mp1636584. Techniques de valorisation – H2P Machines à cycle de Rankine – ORC: marché
  • 16. 14 Techniques de valorisation – H2P ORC: boucle de récupération o Perte de charge influence procédé. o Prévoir un by-pass. o Chute de température diminue Frage. o Point de rosée des fumées: condensaFon acide, colmatage. o Ecoulement abrasif. o 50% du coût global.
  • 17. 15 Techniques de valorisa6on – H2P ORC: boucle de récupéra>on o Boucle huile => possibilité de stockage thermique: • Pallie fluctuaFons source • Augmente fréquence uFlisaFon de l’ORC, stabilise son régime Stockage thermique
  • 18. 16 Techniques de valorisation – H2P ORC: boucle de récupération o Évaporation directe § Une barrière thermique en moins § Points chaud: dégradation huile/fluide § Inertie thermique plus faible => perte de contrôlabilité § Plus difficile de stocker la chaleur
  • 19. 17 Techniques de valorisa6on – H2P ORC: boucle de récupéra>on o UFlisaFon de caloducs (à thermosyphons) Projet Beware ORCAL (2015-2016) Source: Le et al., 2017
  • 20. 18 Techniques de valorisation – H2P ORC: Refroidissement de l’ORC o ORC introduit une demande de refroidissement (condenseur à air ou à eau avec tour de refroidissement)
  • 21. Power-to-heat-to-power – P2H2P BaLeries de Carnot 19 PAC ORC Stockage Thermique (TES) Round-trip effieincy: 𝜀&' = ̇ )!",$%& ̇ )!",'(& ̇ 𝑊$%,+,- ̇ 𝑊$%,./-
  • 22. 𝜀&' = 𝜂012 . 𝐶𝑂𝑃./-. 𝜂+,- = 𝑔./- 𝑇34' 𝑇34' − 𝑇54%6 𝑔+,- 1 − 𝑇54%6 𝑇34' = 𝑔". 𝑔,- Le rendement charge-décharge ne dépasse pas facilement des valeurs de 50% 20 Power-to-heat-to-power – P2H2P BaLeries de Carnot
  • 23. Power-to-heat-to-power – P2H2P Batteries de Carnot 21 PAC ORC Stockage Thermique (TES) ̇ 𝑊$%,+,- ̇ 𝑊$%,./- 𝜀!" = 𝜂#$%. 𝐶𝑂𝑃&'(. 𝜂)*(
  • 24. “Proximité technique” entre les composant d’une pompe à chaleur et d’un ORC. =>Peut-on développer une “unité réversible” (inversible) ORC/PAC? (question déjà posée en 2006) Heat Pump ORC Reversible HP/ORC Working fluid Working fluid 22 Power-to-heat-to-power – P2H2P BaLeries de Carnot
  • 25. 23 Power-to-heat-to-power – P2H2P Batteries de Carnot o Démonstrateur conçu avec des composants de l’HVAC o Roundtrip efficiency de 72.5% o Processus de création d’une spin-off. Produit: ü Compacité > 10 kWh/m3 ü Durée de stockage > 72h ü Rendement charge-décharge > 90 % ü Coût d'achat < 500€ / kWh ü Optimisé et modulable ü Durée de vie > 25 ans
  • 26. Conclusions o Techniques à TRL élevés pour la récupéraFon et valorisaFon de la chaleur fatale (pour la producFon de chaleur, de froid, d’électricité et pour le stockage de l’électricité). o Le potenFel de développement technique reste très important ü PAC à très haute haute température. ü ORC pour la récupéraFon de chaleur à très basse température. ü UFlisaFon de fluides naturels (CO2, cyclopentane,…) ü IntégraFon de la récupéraFon dans le process. ü Services aux réseaux offerts par une baserie de Carnot. o Modèle économique est tout aussi important que les quesFons techniques: ü SouFent d’une société Ferce (ESCO ou invesFsseur) pour le financement, montage et l’exploitaFon du projet de récupéraFon (PPA , leasing). ü CerFficats d’économie d’énergie (CEE en France); Aides (UDE en RW). 24
  • 27. Merci pour votre attention! Merci aux contributeurs à cette présentation Vincent Lemort Vincent.Lemort@uliege.be Thermodynamics Laboratory University of Liège Belgium 25
  • 28. Sources • Arpagaus C., Bless F., Uhlmann M., Büchel E., Frei S., Schiffmann J., and Bertsch S. 2018. High temperature heat pump using HFO and HCFO refrigerants - System design, simulaMon, and first experimental results. Proceeding of the InternaMonal RefrigeraMon and Air CondiMoning Conference. • Le, V. L., Declaye, S., Dumas, X., Ferrand, L., & Lemort, V. (2017, June 01). Waste Heat Recovery by Means of Organic Rankine Cycle (ORC) System Coupled with Two-Phase Closed Thermosyphons. InternaMonal Journal of Thermodynamics. h]p://hdl.handle.net/2268/211971 • A. Marina, S. Spoelstra, H.A. Zondag, A.K. Wemmers, An esMmaMon of the European industrial heat pump market potenMal, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 139, 2021, 110545, ISSN 1364-0321, h]ps://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110545 • Wallonie énergie SPW, DIRECTIVE D’EFFICACITE ENERGETIQUE 2012/27/EU ART.14 POTENTIEL D ’EFFICACITE EN MATIERE DE CHALEUR ET DE FROID, Stratégie de réseaux de chaleur et de froid alimentés par des cogénéraMons, des énergies fatales ou des sources d’énergies renouvelable, 2021 • Wieland, Christoph & Dawo, Fabian & Schifflechner, Christopher & Astolfi, Marco. (2022). Market report on Organic Rankine Cycle power systems: recent developments and outlook. 10.14459/2021mp1636584 26