Audits énergétiques avancés : Documentation complète
Vue d’ensemble de la démarche
L’audit énergétique avancé Proesis se déroule en six phases successives, détaillées dans ce document :
-
Phase 1 – Collecte de données et bilans
-
Phase 2 – Comparaison du site aux meilleures pratiques
-
Phase 3 – Analyse exergétique
-
Phase 4 – Analyse de pincement classique et performance des utilités
-
Phase 5 – Complément d’analyse énergétique
-
Phase 6 – Consultation des fournisseurs
Un tableau récapitulatif des phases et des livrables associés figure en fin de document.
Phase 1 – Collecte de données et bilans
Une bonne compréhension du fonctionnement du procédé et des contraintes opératoires et topologiques est indispensable pour permettre à Proesis :
-
D'identifier l'ensemble des courants de cet atelier,
-
De déterminer les degrés de liberté du procédé.
La phase de collecte (3 ou 4 jours sur site) vise à récupérer toute l’information pertinente nécessaire pour la réalisation de l’étude.
Les données nécessaires sont celles descriptives des courants du procédé (température, pression, débit et composition). Ces données sont idéalement extraites de mesures effectuées pendant une période où la cadence de l'usine est stable afin qu'elles soient le plus cohérentes possible. De même, il est utile d’obtenir des données supplémentaires (redondantes) afin de recouper les informations. Certaines données peuvent éventuellement être des données "théoriques" extraites de documents de conception. Les ingénieurs Proesis s'assureront par recoupement que les données fournies par le client sont globalement cohérentes.
Cette phase s'achève lorsque le client aura validé l'ensemble des données « Process » nécessaires à la poursuite de l’étude.
Phase 2 – Comparaison du site aux meilleures pratiques
Cette phase comprend deux volets distincts :
« Best practices du procédé »
L’idée est de comparer les équipements et les pratiques du site à des procédés similaires de la littérature ou connus de Proesis.
« Analyse bâtiments »
L’analyse bâtiments décrite ci-après n’est pas un audit exhaustif tel que le réalisent des auditeurs spécialisés dans ce domaine ; néanmoins, au fur et à mesure de notre expérience, nous avons ajouté des degrés de liberté à nos analyses de site (des bâtiments du site) :
-
Chauffage et Ventilation
-
Éclairage et toiture
L’expérience montre que les gains associés à ces diverses investigations sont souvent moindres que les autres parties de l’audit (ou alors les TRI sont prohibitifs) mais cette analyse peut offrir des degrés de liberté pour valoriser des flux difficiles à valoriser dans le reste de l’étude. Enfin, nous n’envisageons pas du tout les problématiques d’isolation des bâtiments pour laquelle nous n’avons aucune plus-value, pas plus que les systèmes de régulation d’éclairage et de chauffage. Nos investigations sont des investigations « de bon sens » qui peuvent potentiellement fournir des débouchés à des flux de chaleur fatale.
Phase 3 – Analyse exergétique
Derrière cette appellation un peu barbare se tient une technique d’optimisation énergétique puissante qui consiste à mettre en évidence des inefficacités du procédé. Cette méthode complète intègre l’exergie chimique et l’exergie physique (qui comprend l’exergie thermique et l’exergie mécanique)
Nous essayons d’avoir une approche pragmatique sur ces aspects que l’on peut simplifier comme suit :
-
Étude exergétique thermique
Pour faire simple, un échange thermique optimisé croise des flux à des températures voisines, en prenant en compte le pincement. Par exemple, si on veut chauffer un flux de 25 à 50°C, en considérant un pincement de 10°C, le flux idéal pour réaliser cette chauffe serait délivré à 60°C. Si on utilise un flux plus chaud pour réaliser cette chauffe, par exemple de la vapeur, on dégrade globalement la qualité de « l’ensemble énergétique » (on a de la vapeur et de l’eau froide en entrée et seulement deux flux d’eau chaude en sortie).
La méthode du pincement intègre implicitement cette notion à condition que le flux froid soit intégré dans un des échangeurs proposés. Si ce n’est pas le cas, on peut passer à côté d’une amélioration possible.
-
Étude exergétique mécanique
L’analyse mécanique concerne une investigation des flux sous l’aspect « Pression », c’est-à-dire repérer des détentes (côté procédé ou côté utilités).
Un exemple est la production d’utilités dans une chaudière à très haute pression et des détentes statiques ou non pour délivrer de la vapeur à des pressions très inférieures en différents points du procédé. Il est évident qu’on pourra investiguer la mise en place d’une turbine pour co-produire de l’électricité.
Le second exemple est moins évident à première vue et pourtant, cela peut s’avérer extrêmement rentable. Sur le schéma présenté ci-après, on a un réacteur à 40 bar. Cette réaction est réalisée avec un excès de solvant, qu’on veut récupérer en sortie du réacteur. Pour cela, on réalise une détente et on envoie la sortie du réacteur dans un flash qui sépare le solvant du reste.
La température du flux vapeur généré par le flash est la température de saturation du solvant à la pression du flash et il est condensé dans un échangeur à l’eau des tours avant d’être recyclé. Ce flux-là sera intégré dans l’étude Pinch classique et pourra ne pas s’avérer intéressant s’il est à trop basse température.
Quel enseignement en tirer ?
L’analyse exergétique « Mécanique » du procédé nous conduit à inspecter les endroits du procédé où il y a des pertes de charge et cela peut donner des idées très intéressantes, comme sur cet exemple :
L’analyse exergétique mécanique nous a alertés sur la perte de charge de 40 à 1,5 bar et ici, l’idée est d’investir dans un simple flash à une pression intermédiaire. Pourquoi ? Pour se générer un flux chaud supplémentaire qui pourra servir d’utilité chaude ailleurs. On pourra choisir la pression du flash pour générer le flux chaud à la température optimale par rapport aux besoins en chauffe du procédé.
Dans l’exemple réel présenté ci-avant, l’analyse pinch classique nous présentait des gains énergétiques de l’ordre de 15 à 20 %. Avec cette idée d’origine exergétique, le gain énergétique de notre audit est passé à 40 %.
-
Étude des effluents
Sur certains effluents du procédé, on pourra étudier par exemple un PCI ou un pouvoir méthanogène qui permettrait de ré-utiliser ce flux comme combustible (si la réglementation ne permet plus la combustion directe). On a ce type d’options avec l’huile de pyrolyse, des fuel gas, de la liqueur noire…
Le travail consiste à investiguer tous les sous-produits et effluents du procédé pour étudier des opportunités potentielles. Ce travail est également intégré à l’étude de pincement classique mais sous un aspect seulement thermique.
Phase 4 – Analyse de pincement classique et performance des utilités
Cette phase se compose des 7 étapes détaillées ci-après pour le « pinch classique », à laquelle on ajoute une analyse de performance des utilités.
Déroulé de l’étude « pinch » classique
Étape 1 : Réalisation de calculs thermodynamiques sur chaque courant :
Calcul des propriétés thermodynamiques des courants, notamment l'enthalpie manipulée ensuite par la méthode du pincement.
Étape 2 : Contre-typage des échanges thermiques évalués en Phase 1 avec les consommations d'utilités mesurées ou estimées sur site.
Étape 3 : Réalisation d'un bilan matière et énergie sur l’intégralité du procédé – (déjà presque intégralement réalisé en phase 1).
Étape 4 : Diagnostic énergétique de l'atelier par la mise en œuvre de la méthode du pincement. Une fois les courants devant intervenir dans l'étude sélectionnés par la méthode du pincement, cette étape consiste à tracer les diagrammes température-enthalpie de l’installation pour une valeur de pincement choisie en accord avec l’exploitant. Cette étape permettra d'évaluer les échanges thermiques par une première quantification des consommations minimales d’utilités froides et d’utilités chaudes. Ensuite, l'étude du diagramme température-enthalpie de l'installation fera apparaître l'excès d'énergie consommée par l'installation par rapport à une installation "idéale" conçue par la méthode du pincement. Cette étape se déroule comme suit :
-
Établissement des courbes composées ;
-
Détermination du maximum récupérable ;
-
Définition de la température de pincement.
Cette étape a pour résultat de quantifier les gisements d'énergie disponibles. Ce n'est qu'à la fin de cette étape que les économies réalisables seront quantifiées avec précision.
Étape 5 : Étude des modifications envisageables :
Après la mise en évidence des points sensibles du procédé sur lesquels des modifications sont nécessaires pour se rapprocher de l'installation thermiquement idéale et une optimisation de l'interface utilités/procédé, Proesis proposera des modifications pour se rapprocher d'un réseau optimal en fonction d'un temps de retour sur investissement choisi en accord avec le site. Cette étape se déroule comme suit :
-
Détermination d'un réseau préliminaire d'échangeurs simples et intégration d'utilités
-
Autres modifications envisageables.
Un rapport intermédiaire présentant les modifications envisageables sera remis au client pour discussions préliminaires.
Étape 6 : Réunion avec le site :
Discuter avec le site des modifications envisageables établies lors de l'étape 5. L'objectif est de ne proposer au niveau de l'Étape 7 que des modifications qui soient réalistes et qui correspondent aux objectifs du site, tout en tenant compte de ses contraintes.
Étape 7 : Construction finale du réseau d'échangeurs
Un rapport préliminaire présentant le bilan énergétique de l'étude hors investissement matériel sera remis au client pour étude et validation.
Cette phase est une étude de pincement tout à fait classique, systématique et robuste qui donne à elle seule de très bons résultats, notamment si le procédé est continu et stable (pas de variabilité de production, peu ou pas d’effet de saisonnalité).
Cette phase n’est pas réalisée une seule fois, on part d’une solution thermodynamiquement idéale et on itère ensuite en prenant en compte par exemple :
-
La distance entre les flux (flux trop éloignés, abandon de l’idée de les coupler)
-
Le caractère trop encrassant, oxydant, dangereux de certains flux
-
L’impossibilité de coupler des flux ensemble pour des raisons de sécurité
-
Les très hautes pressions
-
Toute autre contrainte spécifique au site.
C’est à l’étape 7 que sont discutés en détail tous ces aspects.
Analyse de performance des utilités chaudes et froides
Le bilan énergétique des utilités chaudes et froides a été réalisé en phase 1 (comptage précis de distribution de froid et de chaud par les utilitaires du site). Ici, on va s’intéresser non pas à l’idée de diminuer ces consommations mais à augmenter l’efficacité de leur production.
Pour la partie génération de chaleur, le plus souvent, c’est de la vapeur générée par des chaudières et distribuée sur des réseaux vapeur à différentes pressions de service pour le procédé. L’analyse exergétique aura déjà mis en évidence les mauvaises adéquations entre la vapeur livrée et le besoin de température de consigne. Ici, on va pouvoir se pencher sur :
-
L’efficacité de la chaudière
-
Excès d’air dans les fumées
-
Récupération de chaleur sur les fumées (économiseur) (Nb : Ce flux peut être rajouté comme un courant chaud dans l’étude Pinch)
-
Fonctionnement de la bâche dégazante
-
Préchauffage de l’eau d’appoint
-
Taux de récupération des condensats et préchauffage des condensats
-
Ces deux flux peuvent être rajoutés comme des courants froids dans l’étude Pinch…
-
Le remplacement de la chaudière par un autre système. La tendance est à l’étude d’investissement dans des chaudières électriques à cause des problématiques de CO2.
-
Les détentes de la vapeur
-
Opportunité de turbiner
-
Mettre en place des désurchauffes à la place des détentes statiques (notamment quand on a des difficultés de condensation complète de la vapeur dans les échangeurs de chauffe)
-
Toute autre opportunité identifiée sur le système vapeur.
-
Pour la partie génération de froid, on trouvera le plus souvent des GF (groupes froids) et un système d’eau des tours associé à une (ou des) tour(s) aéroréfrigérante(s). Le pincement classique vise à diminuer la charge des GF et des TAR, ce qui est déjà un gain appréciable (quand les gains sont suffisants, on peut envisager d’arrêter des groupes, ce qui permet aussi d’économiser la maintenance non négligeable sur ces équipements). Ensuite, on pourra aussi calculer l’efficacité des groupes, notamment s’ils sont anciens et calculer des TRI pour un investissement dans du matériel neuf, plus efficient. Noter que le remplacement d’un groupe qui marche, même mal, par un neuf est assez rare car les temps de retour sur investissements ne sont pas les meilleurs de l’étude. Le risque de panne ou la saturation du groupe qui n’arrive plus à fournir le service attendu (en été notamment) peut être un élément déclencheur supplémentaire.
Phase 5 – Complément d’analyse énergétique
Que peut-on faire de plus ? L’essentiel a déjà été couvert, sauf si le procédé est un peu atypique, si les résultats du pinch sont un peu décevants, si de nombreux flux très énergétiques sont trop « basses calories ». C’est une phase finale : refaire un tour du problème avec encore une vision différente.
Le travail effectué ici commence si des flux n’ont pas trouvé leur couplage en pincement ou un débouché par l’analyse exergétique. Prenons l’exemple d’un flux chaud à refroidir à l’eau des tours qui est généré par une unité qui fonctionne sur un rythme autonome, assez différent de celui des autres unités du site. Ce flux est très énergétique, plusieurs MW, mais sa température est faible (55°C) pour être un flux chaud de pincement, d’autant que sa génération est asynchrone avec le reste des flux du site. Il a été identifié par sa forte puissance mais malheureusement, il n’a pu être intégré d’une façon ou d’une autre. Ce flux va être analysé de façon pragmatique : qu’est ce qu’on peut en faire ?
Beaucoup de solutions complémentaires restent possibles, il faut les tester :
-
Si le flux est à un niveau énergétique suffisant mais trop intermittent, on va pouvoir se poser la question du stockage d’énergie, sous forme d’eau chaude par exemple. La gestion en exploitation devient immédiatement plus complexe et on perd deux fois le pincement des échangeurs dans cette approche mais ce sont des solutions qui commencent réellement à voir le jour sur les sites industriels. Elles peuvent s’accompagner de solution logicielle de planification intégrant la gestion des réserves d’eau chaude.
-
Si le flux est trop basse calorie mais très enthalpique (grosse puissance mais température trop basse), la solution des pompes à chaleur, autrefois imaginée mais en sachant d’avance que les TRI seraient prohibitifs, commence à devenir vraiment envisageable, le plus souvent pour générer de l’eau chaude à assez haute température, voire même pour générer de la vapeur. Le flux procédés devient un fournisseur complémentaire d’utilités vapeur pour le site.
-
Toute autre solution complémentaire, étudiée au cas par cas.
Évidemment, ces approches-là sont plus complexes à mettre en œuvre, ou augmentent les TRI de façon substantielle, mais elles peuvent et elles pourront de plus en plus à l’avenir, révéler leur efficacité.
Phase 6 – Consultation des fournisseurs
Chaque idée reconnue d’intérêt par le site fera l’objet d’une consultation. Chaque idée est déjà chiffrée en termes de gains énergétiques et donc en termes de gains financiers annuels.
L’objet est de consulter des fournisseurs pour :
-
S’assurer de la faisabilité technique de l’équipement résultant de l’idée (flash, échangeur de chaleur, Pompe à chaleur, turbo-alternateurs, groupe froid, puits de lumière…).
-
Obtenir un devis +/- 20% du coût matériel neuf (généralement hors transport et raccordement néanmoins).
À partir de là, la « fiche finale » de l’idée à présenter aux décideurs se ramène à trois chiffres :
-
Gains financiers annuels
-
Coût d’investissement
-
Temps de retour sur investissement.
Synthèse de la réalisation d’un audit
-
Analyse complètement exhaustive de la problématique énergétique du site, en ne négligeant rien a priori.
-
Le travail est conséquent, les résultats peuvent être très intéressants (gains énergétiques de l’ordre de 20% au moins, qui seront tous ou pas tous mis en œuvre par le site ultérieurement, en fonction de leur capacité d’investissement et de leurs décisions par rapport aux TRI de chacune des idées).
-
Chaque idée est chiffrée et synthétisée pour une décision de Go/NoGo facile à prendre.
-
La consultation se fait auprès de fournisseurs connus de Proesis ou auprès de fournisseurs recommandés par le site.
Récapitulatif des phases et des livrables
La qualité de l’étude dépend grandement de la phase initiale de collecte des données : c’est véritablement la phase primordiale, une phase d’immersion dans le procédé et au sein du site, au contact des « sachants ». C’est précisément pourquoi nous y consacrons 3 à 4 jours de présence sur site, afin de bâtir l’ensemble de l’audit sur des données solides et validées.
Vous souhaitez évaluer le potentiel d’optimisation énergétique de votre procédé ? Contactez les équipes Proesis pour un premier échange autour de vos installations et de vos objectifs.