Optimisations énergétique et exergétique de la conception d’un système de valorisation de chaleur fatale industrielle basse température sur réseau de chaleur

Jaume Fitó¹, Sacha Hodencq², Julien Ramousse^1, ⋆, Frédéric Wurtz², Benoit Stutz¹, François Debray³, Benjamin Vincent^3
⋆ : julien.ramousse@univ-smb.fr
¹ Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l’Environnement (LOCIE), CNRS UMR 5271 – Université Savoie Mont Blanc, Polytech Annecy-Chambéry, Campus Scientifique, Savoie Technolac, 73376 Le Bourget-Du-Lac Cedex, France
² Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP*, G2Elab, 38000 Grenoble, France
³ Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI), CNRS-UPS-INSA-UJF, 25 Rue des Martyrs, 38042 Grenoble, France
Mots clés : Récupération de chaleur fatale, Analyse exergétique, Réseaux de chaleur, Simulation annuelle, Mixed-Integer Linear Programming
Résumé :

L’évolution des réseaux de chaleur vers les basses températures permet l’intégration de nouvelles sources d’énergie, dont la chaleur fatale de procédés industriels basse température. Cette intégration peut donner lieu à une variété de flux d’énergie thermique à plusieurs niveaux de température, qui rend le critère exergétique pertinent voire nécessaire.

Dans cette étude nous proposons un système pour la valorisation de la chaleur fatale basse température issue des procédés électro-intensifs du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI) de Grenoble, via son injection sur le réseau de chaleur existant dans le quartier de la Presqu’île. Ce système de valorisation est composé d’un stockage thermique, pour réduire l’inadéquation entre les profils de rejets de chaleur et d’appel à puissance sur le réseau, et d’une pompe à chaleur à compression mécanique, pour relever le niveau de température des rejets de chaleur jusqu’à la température d’attaque du réseau (85 ^∘C) quand c’est nécessaire.

L’optimisation énergétique et exergétique du potentiel de valorisation de chaleur est réalisée pour 3 grands scénarios, en fonction de la température des rejets de chaleur (à savoir 35 ^∘C, 50 ^∘C ou 85 ^∘C), chacun comprenant 5 sous-scénarios en fonction de la capacité de l’unité de stockage (à savoir 0 MWh – c.-à-d. valorisation avec la pompe à chaleur mais sans stockage-, 10 MWh, 20 MWh, 30 MWh, ou 40 MWh). Pour chaque scénario, le cas de référence est défini comme une absence de valorisation de la chaleur fatale (cas actuel).

Le scénario à 35 ^∘C représente la boucle actuelle de refroidissement des aimants. Le scénario à 50 ^∘C est faisable avec la même technologie de refroidissement, permettant alors de réduire la consommation électrique de la pompe à chaleur grâce à un meilleur COP. Finalement, le scénario à 85 ^∘C correspond à une technologie prospective pour le refroidissement des aimants par ébullition nucléée. L’intérêt potentiel de ce scénario est évident : la pompe à chaleur ne serait plus nécessaire puisque les rejets thermiques du LNCMI seraient en adéquation avec la température d’attaque du réseau de chaleur.

Les critères énergétique et exergétique sont unanimes vis-à-vis de l’intérêt de valoriser la chaleur fatale, et ce pour le plus grand stockage possible (40 MWh). En revanche, ils divergent vis-à-vis de la température des rejets de chaleur. En effet, le taux énergétique de couverture des besoins résidentiels est plus important pour T = 35 ^∘C grâce à l’utilisation de la pompe à chaleur, tandis que le rendement exergétique global est maximisé pour une température des rejets thermiques à T = 85 ^∘C, grâce à l’absence de pompe à chaleur. Un taux de couverture pouvant atteindre 50% et une réduction des pertes exergétiques de 42% par rapport au cas de référence sont évalués, en fonction de la conception retenue.

Ces conclusions d’ordre purement technique étant susceptibles d’évoluer lors de la prise en compte du critère économique, il a été décidé de conserver tous les scénarios pour aborder les approches d’optimisation technico-économique et exergo-économique.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-098

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