WO2013144473A1 - Methode de mutualisation de l'energie thermique et systeme de boucle d'echange thermique entre sites industriels et tertiaires - Google Patents

Methode de mutualisation de l'energie thermique et systeme de boucle d'echange thermique entre sites industriels et tertiaires Download PDF

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loop
thermal energy
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mutualization
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Eric Lemaire
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Definitions

  • the invention relates to the technical field of heat exchange, and heat networks.
  • the subject of the invention is a method for pooling thermal energy (heat) at the scale of the territory in which a heat exchange loop is implemented which links at least one thermal energy consumer site and at least one site producing thermal energy.
  • the invention also relates to a heat pooling system for implementing said method.
  • Air coolers that are exchangers between process fluids and air, intended to dissipate heat in the air, these devices are usually equipped with electric fans to force air circulation; - And / or cooling towers, kind of natural draft chimneys, in which water is sprayed to help cooling. Here again the heat goes into the atmosphere.
  • cooling water in general the cold water being obtained either by heat exchange in a heat exchanger with sea water, river ... or by cold groups .
  • the heat is lost in the environment.
  • Thermal integrations between factories and / or residential or office premises are rare, because when a thermal integration is retained, the two parts become dependent on the operation of the other.
  • Such an example of energy integration is for example described for the heating of agricultural greenhouses in http://www.innovagro.net/pdf/agro- industries.pdf.
  • the invention relates to a heat-sharing method at the scale of the territory in which a heat exchange loop is implemented linking at least one thermal energy consumer site and at least one thermal energy generating site, said loop comprising a heat transfer fluid whose flow rate is adjusted so that at any point of the loop the temperature differences are less than 20 ° C, or the said site (s) consumer (s) taking in a point of the loop the energy required by heat exchange and the site or these site (s) producer (s) rejecting by heat exchange the energy produced in excess.
  • the temperature of the loop is kept constant by means of a booster heater.
  • thermobattery-type heat buffer storage is used to store excess thermal energy within the loop.
  • a Rankin Organic Cycle can be introduced into the loop to valorise excess thermal energy in electrical form.
  • the heat transfer fluid is chosen from water, aqueous mixtures, alcohols, hydrocarbons or ionic liquids.
  • the heat transfer fluid may comprise particles of phase change material.
  • the invention also relates to a territory-wide heat pooling system comprising:
  • a heat exchange loop which interconnects said thermal energy consuming sites and said thermal energy generating sites, and which comprises heat exchangers and a heat transfer fluid whose flow rate is adjusted by means of a pump.
  • the loop may comprise a booster heater.
  • Figure 1 illustrates a known system of the prior art consisting of an industrial boiler C to provide a hot fluid (1) generally water at a temperature around 100 ° C and to recovering the cooled fluid (2) back by the user, for example buildings placed in parallel B1, B2, ... Bn.
  • Figures 2 to 5 illustrate the invention without limitation.
  • Figure 2 shows the system according to the invention for the implementation of a heat exchange loop between transmitters (eg factories) and energy consumers (eg buildings).
  • Figure 3 illustrates the embodiment according to the invention in which pooled heat buffer storage is implemented.
  • Figure 4 illustrates the embodiment of the invention, wherein the system comprises an organic Rankin cycle.
  • Figure 5 illustrates the embodiment of the invention, wherein the heat transfer fluid (s) of the chemical loop comprises or comprise a phase change material in the form of capsules.
  • the system according to the invention (FIG. 2) consists in setting up between a set of consumers and energy emitters a common loop of a coolant.
  • energy emitters By means of heat exchangers located on the pipe of the loop, according to their needs, consumers take the energy they need by heat exchange and the emitters reject by heat exchange the energy they produce in excess.
  • a coolant circulates in the loop connecting energy consumers (buildings B1, B2, B3, Bn) and energy emitters (factories U1, U2).
  • the flow rate of the coolant is chosen so that at any point of the loop the temperature differences are small, preferably between 5 and 20 ° C (for example, the maximum temperature difference may be 20 ° C that is, a higher temperature of 80 ° C and a lower temperature of 60 ° C).
  • the coolant is any fluid for exchanging heat in the various heat exchange equipment and is preferably selected from fluids in the liquid state at pressures between 1 and 20 bar relative, so that the price of pipe of the loop does not become too high.
  • An example of a coolant can be cited water or aqueous mixtures or alcohols or hydrocarbons or ionic liquids.
  • Examples of consumers include domestic or industrial buildings to be heated, or factories that use industrial processes that require heat, such as for drying operations, for example in the food industry.
  • factories to dissipate heat that was lost to the atmosphere according to the prior art.
  • the temperature of the loop is advantageously maintained, for example if the energy balance of the contributors to the loop (here the factories Ul and U2) is deficient, using a booster heater C whose size is strongly reduced compared to the industrial boiler of the prior art which was the only source of heat.
  • the overall energy consumption according to the invention is greatly reduced, since the heat is pooled within the loop, and the auxiliary boiler is dimensioned in order to smooth temperature differences within the loop. of the loop.
  • the system (FIG. 3) can be equipped with one or more Q pooled heat buffer storages, called “thermobatteries” by the companies that manufacture them (ex: German company H. M. Schukôrper).
  • the storage system uses, for example, sodium acetate.
  • the heat storage allows to smooth the temperature of the loop over time (for example days / nights or summer / winter) or also to ensure the heating of buildings when a heat supplier plant is in maintenance operation.
  • the system can also (FIG. 4) be equipped with an organic Rankin cycle (COR) which makes it possible to recover the excess thermal energy (instead of sending it to a cooler such as an air cooler) in electrical energy when needed, such as in summer, where the heating requirements are reduced.
  • COR organic Rankin cycle
  • This electrical energy can advantageously be used for the operation of air conditioners.
  • one of the users may need a thermal level higher than the temperature level of the hot loop (for example, a thermal level of 120 ° C. is required for industrial food cooking with a loop maintained at a temperature of temperature close to 70 ° C): in this case, the user can install a booster heat pump that can raise the temperature with an additional electricity consumption.
  • a thermal level higher than the temperature level of the hot loop for example, a thermal level of 120 ° C. is required for industrial food cooking with a loop maintained at a temperature of temperature close to 70 ° C
  • the heat transfer fluid may contain solid particles encapsulating a phase-change material (for example sodium acetate) and making it possible to increase the recoverable energy with a small variation in temperature.
  • a phase-change material for example sodium acetate
  • phase change state
  • energy content enthalpy
  • Said phase-change material is preferably chosen from the compounds below, for which the melting temperature is mentioned in parentheses: Tri-hydrated sodium acetate (58 ° C.), partially hydrated zinc chloride (76) ° C).
  • FIG. 5 represents the channel (Can) of the chemical loop transporting the coolant F with the transported capsules containing the phase-change material (liquid phase (L), solid phase (S)).
  • the envelope E encapsulating the phase change material may be plastic such as polyethylene or polypropylene.

Abstract

L'invention concerne un système qui permet l'échange de chaleur au moyen d'une boucle dans laquelle circule un fluide caloporteur, entre plusieurs sites industriels et tertiaires, chaque site pouvant être producteur et/ou consommateur dans le but de réduire la facture énergétique à l'échelle d'un territoire. L'invention concerne également une méthode de mutualisation de l'énergie thermique à l'échelle du territoire au moyen d'une boucle reliant au moins un site consommateur d'énergie thermique et au moins un site producteur d'énergie thermique, dans laquelle circule un fluide caloporteur.

Description

METHODE DE MUTUALISATION DE L'ENERGIE THERMIQUE ET SYSTEME DE BOUCLE D'ECHANGE THERMIQUE ENTRE SITES INDUSTRIELS ET TERTIAIRES
Domaine technique
L'invention concerne le domaine technique de l'échange de chaleur, et des réseaux de chaleur.
L'invention a pour objet une méthode de mutualisation de l'énergie thermique (chaleur) à l'échelle du territoire dans laquelle on met en œuvre une boucle d'échange thermique reliant au moins un site consommateur d'énergie thermique et au moins un site producteur d'énergie thermique.
L'invention a également pour objet un système de mutualisation de chaleur permettant la mise en œuvre de ladite méthode.
Art antérieur
Sur un même territoire, par exemple à l'échelle du canton, on peut trouver des usines qui ont souvent des difficultés à valoriser l'énergie produite sous forme de chaleur à bas niveau thermique (les calories transportées typiquement par des fluides à des températures inférieures à 150°C) et des locaux à usage d'habitation, de bureaux ou industriels qui ont des besoins d'énergie sous forme de chaleur à basse tem pérature (chauffage habitat ou tertiaire, opérations de séchage, chauffage de serres...). Les usines qui n'utilisent pas leur excès de chaleur à bas niveau thermique, comme les raffineries ou les centrales nucléaires, ont généralement recours à :
- des aéro-réfrigérants qui sont des échangeurs entre les fluides de procédé et l'air, ayant pour but de dissiper la chaleur dans l'air, ces appareils sont généralement équipés de ventilateurs électriques pour forcer la circulation d'air ; - et/ou des tours de refroidissement, sorte de cheminées à tirage naturel, dans lesquelles de l'eau est pulvérisée pour aider au refroidissement. Ici encore la chaleur part dans l'atmosphère.
- et/ou des circuits d'eau de refroidissement (eau glycolée en général), l'eau froide étant obtenue soit par échange de chaleur dans un échangeur avec de l'eau de mer, de fleuve... ou par des groupes froids. Ici encore la chaleur est perdue dans l'environnement.
De leur côté, les habitations, bureaux ou locaux à usage industriel qui ont besoin de chaleur à basse température:
- génèrent eux-mêmes cette chaleur par des moyens de combustion ou électriques.
Dans les deux cas, des combustibles sont consommés et des émissions de C02 sont engendrées.
- et/ou importent de la vapeur en provenance d'un industriel voisin ou d'un réseau de chauffage urbain, l'un comme l'autre consommant des combustibles pour cette production de chaleur.
Les intégrations thermiques entre usines et/ou locaux d'habitation ou de bureau sont rares, car lorsqu'une intégration thermique est retenue, les deux parties deviennent dépendantes du fonctionnement de l'autre. Un tel exemple d'intégration énergétique est par exemple décrit pour le chauffage de serres agricoles dans http://www.innovagro.net/pdf/agro- industries.pdf.
Les contraintes d'obligation de fourniture, de pénalités pendant les phases d'arrêt, bref, de criticité en cas de défaillance d'une des parties est un verrou qui décourage généralement les investisseurs. Comme décrit dans l'exemple précédent, le fait de pouvoir disposer de l'énergie excédentaire d'un industriel voisin, quand il est unique, ne dispense pas le bénéficiaire de devoir investir dans une chaudière propre pour assurer les défaillances éventuelles de l'industriel voisin. Les systèmes existants consistent à partir d'une chaufferie industrielle à fournir un fluide chaud généralement de l'eau à une température autour de 100°C et à récupérer en retour de le fluide refroidi par l'utilisateur. Ce dispositif oblige à fortement paralléliser le réseau (ramifications) afin que chaque utilisateur dispose d'une température suffisante. Cette parallélisation des lignes d'alimentation et l'obligation d'utiliser des tuyaux (1 pour le l'aller et 1 pour le retour) entraînent des pertes thermiques importantes. On retrouve ce problème par exemple sur le site internet de la Compagnie Parisienne de Chauffage Urbain http://www.cpcu.fr/La-chaleur-urbaine/FONCTIONNEMENT. Description de l'invention
Résumé de l'invention
L'invention concerne une méthode de mutualisation de chaleur à l'échelle du territoire dans laquelle on met en œuvre une boucle d'échange thermique reliant au moins un site consommateur d'énergie thermique et au moins un site producteur d'énergie thermique, ladite boucle comprenant un fluide caloporteur dont le débit est ajusté de manière à ce qu'en tout point de la boucle les écarts de température soient inférieurs à 20°C, le ou lesdit(s) site(s) consommateur(s) prenant en un point de la boucle l'énergie nécessaire par échange thermique et le ou lesdit(s) site(s) producteur(s) rejetant par échange thermique l'énergie produite en excédent.
Avantageusement, la température de la boucle est maintenue constante au moyen d'une chaufferie d'appoint.
Dans un mode de réalisation, on met en œuvre un stockage tampon de chaleur de type thermobatterie pour stocker au sein de la boucle de l'énergie thermique excédentaire.
On peut introduire dans la boucle un Cycle organique de Rankin pour valoriser sous forme électrique de l'énergie thermique excédentaire. De préférence, le fluide caloporteur est choisi parmi l'eau, les mélanges aqueux, les alcools, les hydrocarbures ou les liquides ioniques. Le fluide caloporteur peut comprendre des particules de matériau à changement de phase.
L'invention concerne également un système de mutualisation de chaleur à l'échelle du territoire comprenant :
- au moins un site consommateur d'énergie thermique ;
- au moins un site producteur d'énergie thermique ;
- une boucle d'échange thermique qui relie entre eux lesdits sites consommateurs d'énergie thermique et lesdits sites producteurs d'énergie thermique, et qui comprend des échangeurs thermiques et un fluide caloporteur dont le débit est ajusté au moyen d'une pompe.
Dans le système selon l'invention, la boucle peut comprendre une chaufferie d'appoint. Description des figures Figure 1 : La figure 1 illustre un système connu de l'art antérieur consistant à partir d'une chaufferie industrielle C à fournir un fluide chaud (1) généralement de l'eau à une température autour de 100°C et à récupérer en retour le fluide refroidi (2) par l'utilisateur, par exemple des bâtiments placés en parallèle Bl, B2, ... Bn. Les figures 2 à 5 illustrent l'invention à titre non limitatif.
Figure 2 : la figure 2 représente le système selon l'invention permettant la mise en œuvre d'une boucle d'échange de chaleur entre des émetteurs (ex : usines) et des consommateurs d'énergie (ex : bâtiments). Figure 3 : La figure 3 illustre le mode de réalisation selon l'invention dans lequel des stockages tampon de chaleur mutualisée sont mis en œuvre.
Figure 4 : La figure 4 illustre le mode de réalisation de l'invention, dans lequel le système comprend un cycle organique de Rankin.
Figure 5 : La figure 5 illustre le mode de réalisation de l'invention, dans lequel le ou les fluide(s) caloporteur(s) de la boucle chimique comprend ou comprennent un matériau à changement de phase sous forme de capsules.
Plus particulièrement, le système selon l'invention (figure 2) consiste à mettre en place entre un ensemble de consommateurs et d'émetteurs d'énergie une boucle commune d'un fluide caloporteur. Au moyen d'échangeurs thermiques situés sur la canalisation de la boucle, en fonction de leurs besoins, des consommateurs prennent l'énergie dont ils ont besoin par échange thermique et les émetteurs rejettent par échange thermique l'énergie qu'ils produisent en excédent.
Au moyen d'une pompe P, un fluide caloporteur circule dans la boucle reliant des consommateurs d'énergie (bâtiments Bl, B2, B3, Bn) et des émetteurs d'énergie (usines Ul, U2).
Le débit du fluide caloporteur est choisi de manière à ce qu'en tout point de la boucle les écarts de température soient faibles, de préférence entre 5 et 20°C (par exemple, l'écart de température maximal peut être de 20°C, c'est-à-dire une température la plus élevée égale à 80°C et une température la plus faible égale à 60°C).
Le fluide caloporteur est tout fluide permettant d'échanger la chaleur dans les différents équipements d'échanges thermiques et est de préférence choisi parmi les fluides à l'état liquide à des pressions comprises entre 1 et 20 bar relatifs, afin que le prix de canalisation de la boucle ne devienne pas trop élevé. On peut citer comme exemple de fluide caloporteur l'eau ou les mélanges aqueux ou les alcools ou encore les hydrocarbures ou encore les liquides ioniques.
Parmi les consommateurs, on peut citer comme exemple des bâtiments domestiques ou industriels à chauffer ou bien des usines mettant en œuvre des procédés industriels qui nécessitent de la chaleur, comme pour réaliser des opérations de séchage, par exemple dans l'industrie agro-alimentaire. Parmi les émetteurs, on trouve des usines devant dissiper de la chaleur qui était perdue dans l'atmosphère selon l'art antérieur. La température de la boucle est avantageusement maintenue, par exemple si le bilan d'énergie des contributeurs à la boucle (ici les usines Ul et U2) est déficitaire, à l'aide d'une chaufferie d'appoint C dont la taille est fortement réduite par rapport à la chaufferie industrielle de l'art antérieur qui était la seule source de chaleur. Il en résulte que la consommation globale d'énergie selon l'invention est fortement réduite, puisque la chaleur est mutualisée au sein de la boucle, et que la chaufferie d'appoint est dimensionnée dans l'objectif de lisser les écarts de température au sein de la boucle.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le système (figure 3) peut être équipé d'un ou plusieurs stockages tampon de chaleur mutualisée Q, appelés "thermobatterie" par les sociétés qui les fabriquent (ex: société allemande H. M. Heizkôrper). Le système de stockage utilise par exemple de l'acétate de sodium. Le stockage de chaleur permet de lisser la température de la boucle dans le temps (par exemple jours/nuits ou été/hiver) ou également permettre d'assurer le chauffage des bâtiments lorsqu'une usine fournisseur de chaleur est en opération de maintenance.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le système peut également (figure 4) être équipé d'un cycle organique de Rankin (COR) qui permet de valoriser l'énergie thermique excédentaire (au lieu de l'envoyer dans un refroidisseur tel qu'un aéroréfrigérant) en énergie électrique en cas de besoin, comme par exemple en été, où les besoins en chauffage sont réduits. Cette énergie électrique pourra avantageusement être utilisée pour le fonctionnement de climatiseurs.
Selon l'invention, un des utilisateurs peut avoir besoin d'un niveau thermique supérieur au niveau de température de la boucle chaude (par exemple besoin d'un niveau thermique de 120°C pour de la cuisson industrielle agroalimentaire avec une boucle maintenue à une température proche de 70°C) : dans ce cas, l'utilisateur peut installer une pompe à chaleur d'appoint qui permet de remonter la température moyennant une consommation d'électricité d'appoint.
Selon l'invention, le fluide caloporteur peut contenir des particules solides encapsulant un matériau à changement de phase (par exemple de l'acétate de sodium) et permettant d'accroître l'énergie restituable avec une faible variation de température. En effet, lorsqu'il y a changement de phase (état) d'un corps pur, il y a variation du contenu énergétique (enthalpie) sans variation de température. L'exemple bien connu est celui de l'eau qui passe de l'état solide à l'état liquide à 0°C à pression atmosphérique, mais dans notre cas le changement de phase est souhaité à une température typiquement entre 50 et 100°C. Ledit matériau à changement de phase est préférentiellement choisi parmi les composés ci- dessous, pour lesquels la température de fusion est mentionnée entre parenthèses : L'acétate de sodium tri-hydraté (58°C), le chlorure de zinc partiellement hydraté = (76°C). Quelques exemples de liquides ioniques avec un point de fusion dans cette gamme:
l-butyl-3-methylimidazolium tosylate: mp = (67°C)
l-éthyl-3-méthylimidazolium hexafluorophosphate: mp = (59°C)
1-butyl-l-méthylpyrrolidinium hexafluorophosphate: mp = (85 °C)
l-butyl-3-méthylimidazolium chloride: mp= (73 °C)
l-ethyl-3-méthylimidazoliul chloride: mp = (77-79°C)
La figure 5 représente la canalisation (Can) de la boucle chimique transportant le fluide caloporteur F avec les capsules transportées contenant le matériau à changement de phase (phase liquide (L) ; phase solide (S)). L'enveloppe E encapsulant le matériau à changement de phase peut être en plastique tel que du polyéthylène ou du polypropylène.

Claims

REVENDICATIONS
Méthode de mutualisation de chaleur à l'échelle du territoire dans laquelle on met en œuvre une boucle d'échange thermique reliant au moins un site consommateur d'énergie thermique et au moins un site producteur d'énergie thermique, ladite boucle comprenant un fluide caloporteur dont le débit est ajusté de manière à ce qu'en tout point de la boucle les écarts de température soient inférieurs à 20°C, le ou lesdit(s) site(s) consommateur(s) prenant en un point de la boucle l'énergie nécessaire par échange thermique et le ou lesdit(s) site(s) producteur(s) rejetant par échange thermique l'énergie produite en excédent.
2. Méthode de mutualisation de chaleur selon la revendication 1 dans laquelle la température de la boucle est maintenue constante au moyen d'une chaufferie d'appoint.
3. Méthode de mutualisation de chaleur selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle on met en œuvre un stockage tampon de chaleur de type thermobatterie pour stocker au sein de la boucle de l'énergie thermique excédentaire.
4. Méthode de mutualisation de chaleur selon la revendication 1 à 3 dans laquelle on introduit dans la boucle un Cycle organique de Rankin pour valoriser sous forme électrique de l'énergie thermique excédentaire.
5. Méthode de mutualisation de chaleur selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide caloporteur est choisi parmi l'eau, les mélanges aqueux, les alcools, les hydrocarbures ou les liquides ioniques.
6. Méthode de mutualisation de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le fluide caloporteur comprend des particules de matériau à changement de phase. Système de mutualisation de chaleur à l'échelle du territoire comprenant :
- au moins un site consommateur d'énergie thermique ;
- au moins un site producteur d'énergie thermique ;
- une boucle d'échange thermique qui relie entre eux lesdits sites consommateurs d'énergie thermique et lesdits sites producteurs d'énergie thermique, et qui comprend des échangeurs thermiques et un fluide caloporteur dont le débit est ajusté au moyen d'une pompe.
Système de mutualisation de chaleur à l'échelle du territoire selon la revendication 7 dans lequel la boucle comprend une chaufferie d'appoint.
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