Un formalisme générique pour la planification des systèmes énergétiques : application à la valorisation de la chaleur fatale

A framework dedicated to the planning of energy systems : application to waste heat recovery

• Auteur / Autrice : Alexandre Leclercq
• Direction : Pascal Floquet, Raphaële Théry Hétreux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 12/11/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Artigues
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Floquet, Raphaële Théry Hétreux, Jean-Michel Reneaume, Miguel López, Marina Boucher, Philippe Baudet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Reneaume, Miguel López

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur

Technique de la production

Mots clés libres

Planification énergétique

Chaleur fatale

EERTN

Réseau de chaleur urbain

Energy Planning

Waste Heat

EERTN

District Heating Network

Résumé

Lors du fonctionnement d’un procédé de production ou de transformation, l’énergie thermique produite grâce aux combustibles n’est pas utilisée en totalité. Une partie de la chaleur est inévitablement rejetée. C’est en raison de ce caractère inéluctable qu’on parle de « chaleur fatale ». Disponible le plus souvent à des températures assez basses sa valorisation demeure délicate. Le mode de valorisation le plus courant reste aujourd’hui l’intégration du procédé dans un système plus complexe tel qu’un éco-parc ou un réseau de chaleur urbain et/ou son couplage avec le réseau électrique, donnant ainsi naissance à une véritable chaîne logistique de la chaleur fatale. Deux verrous majeurs freinent pour l’heure la généralisation de ce type de systèmes intégrés : la conception de la chaîne logistique d’une part, c’est-à-dire la définition des différents maillons depuis le fournisseur de chaleur fatale jusqu’à son utilisateur final (stockage, valorisation, transport …) et d’autre part la planification de ce système qui doit en effet tenir compte du caractère souvent intermittent de la disponibilité de la source, mais aussi de la variabilité de la demande. Dans ces travaux de thèse, une approche de planification de cette chaine logistique est introduite. Cette approche repose sur la formulation et la résolution d’un modèle de Programmation Non Linéaire Mixte (PNLM). Toutefois, pour faciliter le développement de ce modèle et son adaptation à différent types de chaîne de valorisation, une extension du formalisme ERTN (‘Extended Resource Task Network’) introduit dans des travaux précédents est proposée. L’EERTN (‘Energy Extended Resource Task Network’) permet notamment de rendre compte de manière plus fine de l’influence de la température sur les phénomènes physico-chimique complexes mis en jeu dans ce type de système et ainsi de proposer une planification du système conduisant à une réduction significative de la consommation de combustible primaire du système globale et à une exploitation efficiente de la chaleur fatale générée sur le site. L’approche est appliquée sur un cas d’étude constitué d’une unité industrielle dont les besoins en chaleur sont pourvus par une centrale de production d’utilité vapeur. Non loin de cette unité industrielle existe un réseau de chaleur urbain. La chaleur fatale est constituée par les fumées issues de la chaudière de la centrale de production d’utilité. Dans cette étude, on supposera que la conception de la chaîne logistique visant à valoriser cette chaleur fatale a déjà été réalisée et qu’elle consiste à exploiter cette énergie pour subvenir à tout ou partie des besoins du réseau de chaleur urbain

When operating a production or a process, the thermal energy produced by the fuels is not entirely used. It is inevitable that a part of this heat will rejected. This part of the heat produced is known as "waste heat". Mostly available at low temperatures, its valuation remains delicate. The most common way of exploiting this energy is the integration of the process in a more complex system such as an eco-park or a district heat network and / or its coupling with the electricity network, giving rise to a real supply chain of waste heat. Actually, two major scientific locks restrict the generalisation of this type of integrated system. On the one hand, the design of the supply chain i.e. the definition of the various links from the supplier of the waste heat to its end user (storage, recovery, transport ...) is difficult. On the other hand, the planning of this system, which must take into account the often-intermittent nature of the source availability but also the variability of demand, is crucial. In this PhD thesis, a planning approach of this supply chain is established. This approach is based on the formulation and the resolution of a Mixed-Integer Non Linear Programming (MINLP) model. To facilitate the development of the model and its adaptation to different kinds of value chain, an extension of ERTN (Extended Resource Task Network) formalism, introduced in a previous work, is proposed. Mainly, the Energy Extended Resource Task Network (EERTN) framework provides a more detailed account of the influence of temperature on the complex physicochemical phenomena involved in the process. It proposes also a system planning leading to a significant reduction in the primary fuel consumption of the overall system and an efficient exploitation of the waste heat generated by the industrial site. The approach is applied to a case study consisting of an industrial unit whose heat requirements are provided by a steam utility plant. Not far from this industrial unit is a district heating network. The waste heat consists of the vapour from the boiler of the utility production plant. In this study, the design of the supply chain, able to exploit this waste heat, is assumed to be done and the problem consists to optimally plan the energy use of the district heating network.