Conception, analyse exergétique et optimisation des cycles à mélange de réfrigérants : Application à la liquéfaction du bio-méthane

par Imane Oudghiri yousfi (Eddaoudi)

Thèse de doctorat en Energétique et Procédés

Sous la direction de Chakib Bouallou.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Energétique et Procédés (laboratoire) et de MINES ParisTech (établissement opérateur d'inscription) .


  • Résumé

    L'objectif principal de ce travail de thèse est de développer un cycle thermodynamique de réfrigération peu énergivore et, éventuellement, fonctionnant avec des réfrigérants non-inflammables, pour la liquéfaction du biométhane à micro-échelle (débit inférieur à 15 Nm3/h). Quatre architectures ont été modélisées en se basant sur deux critères : l'inflammabilité du mélange de réfrigérant et le besoin de refroidissement en vue de la liquéfaction du biométhane. Les deux premières architectures opèrent avec un mélange de réfrigérant inflammable. La troisième est une combinaison de la première architecture et un groupe froid de type machine de Stirling. La dernière architecture proposée opère avec un mélange de réfrigérant non-inflammable. Chaque architecture est simulée sous Aspen HYSYS, et chaque simulation est accompagnée d'une analyse exergétique pour évaluer l'efficacité thermodynamique du procédé et identifier les causes principales des irréversibilités thermodynamiques dans ces systèmes. Pour améliorer les performances de chaque cycle de liquéfaction, et identifier la meilleure configuration, la méthode d'optimisation par algorithmes génétiques a été choisi. Le processus d'optimisation repose sur la connexion entre Excel, Aspen HYSYS et PIKAIA (bibliothèque d'algorithme génétique disponible gratuitement dans la littérature). Les conditions du biométhane disponible et à liquéfier sont une pression initiale de 17 bar et une température de 25°C. Une étude de l'impact de la variation de cette pression sur la performance de liquéfaction a été faite. Le but est d'évaluer la flexibilité du procédé, dans le cas où la pression du biogaz soit en dessous de 17 bar. Ces analyses permettront de définir les architectures les plus adaptés et peu consommatrices d'énergie pour la liquéfaction de biométhane à micro-échelle. Pour étudier le comportement du système en régime transitoire, une simulation dynamique de l'architecture énergétiquement optimale a été effectuée pour évaluer la flexibilité du procédé à charge réduite du biométhane. La conception d'une architecture adaptée à la liquéfaction d'une capacité de 10 Nm3/h a été faite. Une étude technico-économique de ce banc a été élaborée afin d'évaluer le coût total actualisé pour la liquéfaction du biométhane.

  • Titre traduit

    Conception, exergy analysis and optimisation of mixed refrigerant cycle: application on bio-méthane liquéfaction


  • Résumé

    The growing fossil fuel consumption is leading to depletion of natural gas reserves. Hence, a considerable interest is given to the use of biogas as substitute for natural gas. However, for certain applications, biogas must be liquefied to facilitate its transport and storage. Energy intensity of liquefaction processes depends on the kind of process selected. Many studies have focused on large and mid-scale natural gas liquefaction processes with a lack of literature studies on biogas micro-liquefaction. Due to the similarities between biomethane and natural gas, mixed refrigerant (MR) cycles for natural gas liquefaction are considered to liquefy the biomethane. The prime objective of this doctoral work is to develop a thermodynamic refrigeration cycle with low energy consumption and eventually nonflammable refrigeration for micro-scale biomethane liquefaction. In order to procure the needed cooling of biomethane liquefaction processes, different configurations are proposed. The first two architectures are mixed refrigerant cycles carrying out both sensible (pre-cooling) and latent (condensation) heat removal. The second one, pre-cooling and condensation steps are dissociated: the first step is ensured by the first developed MR cycle and the liquefaction step is accomplished by a Stirling Machine. The latest architecture, mixed refrigerants are nonflammable. All configurations are simulated in Aspen HYSYS and assessed considering the exergy analysis method. In order to find the optimum operating parameters and the best design, a tool integrating PIKAIA genetic algorithm and Microsoft Visual Basic (VBA) was developed. Once the steady state simulation and optimization are achieved, a study of the behavior of the process at partial load operating mode is conducted. To study the transient response of the system, a dynamic simulation of the energy optimized architecture was carried out to evaluate the flexibility of the reduced biomethane feedstock process. The design of an architecture suitable for liquefaction with a capacity of 10 Nm3 / h was made. A technical-economic study of this bench was developed to evaluate the total updated cost for the liquefaction of biomethane.