Industrial Process and Energy System Engineering
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Industrial Process and Energy System Engineering
SECTION DE Génie mécanique IPESE Industrial Process and Energy System Engineering Potentiels Thermo-économiques Comparés de Réseaux Avancés Fonctionnant au CO2 et à l’Eau Motivations & Objectifs Fonctionnement Les besoins de chauffage et d’eau chaude sanitaire sont satisfaits à l’aide de pompes à chaleur électriques prélevant de la chaleur au réseau en condensant le CO2 vapeur. A l’inverse, l’évaporation du CO2 liquide dans des échangeurs permet de satisfaire les besoins de refroidissement. Le réseau permet ainsi d’effectuer des échanges thermiques entre les utilisateurs de froid et les utilisateurs de chaud. Une centrale de régulation fourni ou évacue de la chaleur du réseau selon que les besoins de chaud ou de froid sont les plus importants. De nos jours, les besoins de chauffage et de refroidissement représentent près de 40% de l’énergie finale consommée dans les pays industrialisés. Les objectifs d’efficience énergétique et de réduction des émissions de gaz à effet de serre rendent indispensable le développement de systèmes efficaces permettant de pourvoir à ces besoins. Le réseau CO2 présente l’avantage de parvenir à satisfaire simultanément les besoins de chauffage et de refroidissement et de réduire fortement leur coût énergétique. Cette réduction est directement liée à la faible température (de l’ordre de 15°C) à laquelle le réseau est exploité. Un réseau similaire au réseau CO2 mais fonctionnant avec de l’eau peut également être envisagé. L’objectif principal est d’évaluer et de comparer les aspects énergétiques et économiques de la mise en place de ces deux différents types de réseaux dans un quartier de la ville de Genève. Cycles de pompes à chaleur Des calculs de cycles simplifiés de pompes à chaleur ont été effectués afin de déterminer les performances des pompes à chaleur des utilisateurs. A la température de dimensionnement, le rendement exergétique des cycles des pompes à chaleur satisfaisant les besoins de chauffage est de 0.56 et l’efficacité de chauffage de 4.63. Réseau eau : avantages et inconvénients + Afin que le CO (vapeur et liquide) soit à un état proche de la saturation, la pression dans les conduites du réseau CO2 est de l’ordre de 50bar. Dans le cas du réseau eau, de l’eau chaude remplace le CO2 vapeur et de l’eau froide le CO2 liquide. La pression dans les conduites d’eau est de l’ordre de 1bar ce qui simplifie la mise en place du réseau. 2 + En raison de la pression élevée, la température du réseau CO ne peut pas être supérieure à 15°C. La température du réseau eau peut, elle, être augmentée en hiver lorsque les besoins de climatisation sont nuls. Cela permet de réduire la puissance des pompes à chaleur des utilisateurs et de diminuer ainsi leur coût d’investissement. Sur le plan énergétique une élévation de la température du réseau n’est pas intéressante. En effet, la réduction de la consommation d’électricité des pompes à chaleur est inférieure à l’augmentation de la consommation électrique de la centrale de régulation. 2 - La différence d’enthalpie entre l’eau chaude et l’eau froide est nettement plus faible que la chaleur latente d’évaporation du CO2. Pour cette raison, les débits d’eau nécessaires ainsi que les diamètres des conduites devant être installées sont plus importants dans le cas du réseau eau (720mm au lieu de 280mm pour le CO2 liquide et 330mm pour le CO2 vapeur). - A plus long terme, il peut être envisagé d’utiliser directement le CO dans des systèmes de pompes à chaleur ouverts. Cela permet de se passer du fluide intermédiaire contenu dans les pompes à chaleur conventionnelles, de supprimer ainsi un transfert de chaleur et, par conséquent, d’augmenter l’efficacité des pompes à chaleur. L’utilisation d’un réseau eau rend ces modifications impossibles. 2 Évaluation économique Banc d’essai Les valeurs actuelles nettes des deux types de réseaux ont été évaluées. Pour cela, les investissements, les coûts d’opération et différents taux de renchérissement ont été considérés. L’investissement lié aux conduites des réseaux a un impact prépondérant sur la valeur actuelle nette. Le réseau CO2 a l’avantage d’avoir des conduites de diamètre inférieur. Sa pression élevée augmente cependant le coût de ses conduites. Globalement, les deux réseaux présentent des coûts relativement similaires. La rentabilité des réseaux sur une durée de 25ans peut être atteinte en facturant l’énergie fournie et évacuée par le réseau à un prix variant entre 9 et 10ct/kWh. Afin de vérifier différents points du fonctionnement d’un réseau CO2, un banc d’essai a été développé lors de travaux précédents. La finalisation de l’installation de ce banc d’essai a été effectuée. Ce banc d’essai a également fait l’objet d’une certification (équipements sous pression). Différentes modifications ont été apportées au dossier de certification existant. Afin de prendre en compte les incertitudes liées à l’évaluation des besoins énergétiques et des coûts des réseaux, une analyse de paramètres incertains a été réalisée. Basée sur des données statistiques, cette analyse permet d’obtenir une distribution de la valeur actuelle nette des réseaux. D’après les distributions obtenues, la rentabilité des réseaux après 25ans est assurées dans plus de 85% des cas. Auteur Remerciements Patrick Chatelan Prof. Daniel Favrat Samuel Henchoz Superviseur Prof. François Maréchal Laurent Rami Céline Weber