Colloque 202 Efficacité énergétique industrielle · 2017. 11. 17. · Une des possibilités...

Colloque 202

Efficacité énergétique industrielle

84ème Congrès de l’ACFAS Colloque 202 : Efficacité Energétique Industrielle

12-13 mai 2016, UQAM Montréal (Canada)

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Le Colloque 202 sur l’efficacité énergétique industrielle se tient les 12 et 13 mai 2016 à l’UQÀM dans le cadre du 84ème Congrès de l’ACFAS. Ce colloque est organisé conjointement par le Département de génie mécanique de l’Université de Sherbrooke, le laboratoire des Technologies de l’Énergie (Shawinigan) et CanmetÉnergie (Varennes).

L’objectif principal de ce colloque est d’offrir un espace de rencontres et d’échanges entre chercheurs/ingénieurs travaillant dans des laboratoires publics ou privés, universitaires ou industriels, afin de faire partager à tous les dernières connaissances et avancées technologiques dans le domaine de l’efficacité énergétique au Québec et dans l’ensemble des pays de la francophonie.

Le thème général du colloque est l’efficacité énergétique industrielle. Toutes les personnes travaillant entre autres choses, sur la thermodynamique et les processus de transfert, les composants et systèmes de réfrigération, les systèmes et procédés énergétiques, le conditionnement d’air, les pompes à chaleur, la récupération et le stockage d’énergie, le diagnostic énergétique, les conversions d’énergie, les énergies renouvelables, la géothermie, les réseaux intelligents… sont invités à participer à ce colloque. Les acteurs du monde industriel, les décideurs en termes de politique énergétique et les universitaires travaillant dans des domaines ne relevant pas des sciences du génie sont également fortement encouragés à participer à cet événement.

La présentation des travaux se fait sous la forme de communications orales de 20 mn environ.

Lieu du colloque : Université du Québec à Montréal, centre-ville Montréal (Québec) H3C 3P8 Canada

Dates importantes (aucune extension possible): Envoi du résumé : 26 février 2016 Programme final du colloque : 4 mars 2016 Tenue du colloque : 12 et 13 mai 2016

Comité d’Organisation : Nicolas Galanis (Université de Sherbrooke) Hakim Nesreddine (Laboratoire des Technologies de l’Énergie) Michel Poirier (CanmetÉnergie) Sébastien Poncet (Université de Sherbrooke)



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Programme du colloque

12 MAI 2016 8h30-8h40 : mot de bienvenue Session 1: Réfrigération magnétique (H. Nesreddine) 8h40-9h30 : Mohamed Balli, Réfrigération magnétique : vers des systèmes de refroidissement propres et efficaces 9h30-9h55 : Ibai Mugica, Modélisation d’un régénérateur magnétique à plaques multicouches avec isolant thermique 9h55-10h20 : Jonathan Bouchard, Corrélations de la chute de pression et du transfert de chaleur d’un régénérateur poreux utilisé en réfrigération magnétique à température ambiante 10h20-10h40 : pause café Session 2: Analyse thermo, exergo-économique (J. Bouchard) 10h40-11h05 : Rémy Poirier, Analyse thermodynamique et économique de systèmes de transport et de valorisation de chaleur à l'aide de variables non-dimensionnelles 11h05-11h30 : Mark-André Deslauriers, Retrofit de systèmes de récupération de chaleur industriels par optimisation exergo-économique 11h30-11h55 : Amel Kaouche, Modèles de gaz et développements de Mayer et de Reehoover 11h55-13h : repas Session 3: Valorisation de rejets thermiques (M. Poirier) 13h-13h50 : Hakim Nesreddine, Valorisation de rejets thermiques industriels : portrait, potentiel, technologies, applications 13h50-14h15 : Romain Loeb, Modélisation d’une machine à absorption hybride fonctionnant à partir de rejets thermiques basse température 14h15-14h40 : Brice Le Lostec, Potentiel de production électrique à partir de rejets thermiques d’une centrale électrique diesel 14h40-15h : pause café Session 4: Gestion de la demande énergétique (S. Poncet) 15h-15h25 : Alain Moreau , Utilisation des charges pour accroître la flexibilité et la résilience des réseaux électriques : le concept de charge intelligente 15h25-15h50 : Daniel Maltais, Système de Gestion Energetique – Grande industrie 15h50-16h15 : Marc-André Richard , Gestion de la demande en puissance : une opportunité pour la moyenne industrie



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13 MAI 2016 Session 5: Stockage d’énergie par air comprimé et nanofluides (M. Poirier) 8h40-9h30 : Richard Boudreault, Systèmes CAES thermomécaniques, portables, à haute-densité: trois études de cas 9h30-9h55 : Martin Larocque , Sigma Stockage d’Énergie : portrait des alliances Industrielle-Chercheurs 9h55-10h20 : Ghofrane Sekrani, Simulations numériques d’écoulement de nanofluides en conduite chauffée 10h20-10h40 : pause café Session 6: Energies solaire et verte (M. Poirier) 10h40-11h05 : Michel Poirier , Démonstration d’un système de récupération et de stockage d’énergie solaire thermique 11h05-11h30 : Andreas Athienitis, Systèmes solaires intégrés au bâtiment : conception, modélisation, design et opération 11h30-11h55 : Wassila Arras, Production d’énergie verte à partir de matière résiduelle municipale 11h55-13h : repas Session 7: Optimisation des procédés industriels (S. Poncet) 13h-13h50 : Eric Soucy, Outils d’aide à la décision et programme de formation: pour une conception et une opération optimale des procédés industriels 13h50-14h15 : Feng Ding, Optimisation d’énergie de raffinage via stabilisation des caractéristiques de copeaux pour un procédé PTM 14h15-14h40 : Zoé Périn-Levasseur, Enjeux Énergétiques et techniques d’amélioration de l’efficacité énergétique industrielle : application aux usines papetières canadiennes 14h40-15h : pause café Session 8: Géothermie (S. Poncet) 15h-15h25 : Claude Hugo Koubikana, Nouvelle approche pour les essais de réponse géothermique : TRT en mode contrôle de puissance thermique et de gestion des opérations à distance



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REFRIGERATION MAGNETIQUE : VERS DES SYSTEMES DE REFROIDISSEMENT PROPRES ET EFFICACES

Mohamed BALLI*

département de Physique, Université de Sherbrooke , Sherbrooke, Canada * auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : réfrigération magnétique ; effet magnétocalorique ; matériau magnétocalorique ; efficacité énergétique

Résumé

La réduction de la consommation d’énergie ainsi que l’élimination des polluants nocifs pour l’environnement et la santé humaine comme les CFCs, HCFCs et les HFCs, constituent des défis majeurs pour la société moderne [1]. Pour faire face à ces problématiques, des initiatives comme les protocoles de Montréal et Kyoto ont été universellement adoptées conduisant à l’émergence de nouvelles technologies moins énergivores et plus propres. Dans ce contexte, la réfrigération magnétique est considérée actuellement comme l’une des alternatives sérieuses pour remplacer les systèmes de compression conventionnels [2]. Basée sur l’effet magnétocalorique (EMC), la réfrigération magnétique permettrait d’éliminer complètement les fluides frigorigènes de synthèse (CFCs, HCFCs et les HFCs) présents dans les réfrigérateurs classiques, car elle utilise des substances solides comme réfrigérants. De plus, cette technologie émergente a la capacité d’atteindre une efficacité énergétique nettement supérieure à celle achevée par les techniques de refroidissement traditionnelles [2]. Elle permet également de concevoir des systèmes plus sécuritaires tout en réduisant les nuisances sonores à cause de l’absence du compresseur. La découverte d’un effet magnétocalorique géant dans la famille des matériaux Gd5(Ge1-xSix)4 et la mise en œuvre d’un réfrigérateur magnétique compétitif vers la fin des années 1990 [2, 3] ont révolutionné ce domaine conduisant à des avancées majeures au niveau des matériaux et des systèmes [4, 5]. L’EMC conventionnel est généré dans un matériau magnétique lorsque ce dernier est soumis à un champ magnétique variable. Toutefois, le même effet peut être obtenu par une approche différente basée sur la rotation de certains monocristaux à forte anisotropie magnéto-cristalline dans un champ magnétique fixe [6]. Dans cette présentation, différents aspects en rapport avec la réfrigération magnétique seront abordés, allant des fondamentaux à la conception de systèmes préindustriels. Des avancées récentes seront également discutées. [1] O. Sari and M. Balli, Int. Jr. Refr. 37, 8 (2014). [2] Zimm et al, Adv. Cryog. Eng. 43, 1759 (1998). [3] V. K. Pecharsky and K. A. Gschneidner Jr, Phys. Rev. Lett., 78., 4494 (1997). [4] K. A. Gschneidner et al, Rep. Prog. Phys. 68, 1479 (2005). [5] M. Balli et al, Applied Energy. 98, 556 (2012). [6] M. Balli et al, Appl. Phys. Lett. 104, 232402 (2014).



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MODELISATION D’UN REGENERATEUR MAGNETIQUE A PLAQUES MULTICOUCHES AVEC ISOLANT THERMIQUE

Ibai MUGICAa,*, Sébastien PONCETa, Jonathan BOUCHARD b

a Département de génie mécanique, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Canada b Laboratoire des Technologies de l’Energie, Hydro-Québec, Shawinigan, Canada

* auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : réfrigération magnétique ; régénérateur multicouche ; modélisation; gadolinium ; théorie du champ moyen

Résumé

Des développements récents en réfrigération magnétique ont montré que certains matériaux solides, des terres rares, ont la propriété de convertir du travail en froid sans l’utilisation de réfrigérants à fort impact environnemental. La puissance froide produite est, entre autres choses, directement proportionnelle à la quantité de matériaux utilisée. Ces matériaux sont rares donc les prototypes qui permettent d’obtenir un effet magnétocalorique (MCE) significatif restent pour l’heure chers. Les recherches s’orientent autour de 3 axes : recherche de nouveaux matériaux avec MCE géant près de la température ambiante, travail sur les aimants et supraconducteurs, et développement de régénérateurs innovants en termes de géométrie et de fluides caloporteurs. On s’intéresse ici à ce 3ème axe. Un code numérique 1.5D a été développé sous Matlab. Il permet de simuler tout type de fluide grâce à la base de données Coolprop et de terre rare. Il est couplé également à divers algorithmes d’optimisation multiobjectif dont un algorithme génétique.

Une des possibilités d’amélioration des régénérateurs à plaques est la réduction de la conduction axiale au sein du matériau comme proposé par Nielsen & Engelbrecht (2012). La seconde idée est l’utilisation d’un régénérateur multicouche. Le travail magnétique atteignable est maximal à la température de Curie, on peut donc envisager l’utilisation d’alliages avec une composition adaptée à la distribution de température dans le régénérateur comme cela a été fait par Aprea et al. (2011).

Dans ces optiques, on montre ici comment l’introduction de couches d’isolant thermique au sein d’un régénérateur magnétique peut réduire de manière significative la quantité de matériau magnétocalorique utilisé tout en produisant une quantité de froid suffisante et en gardant un système compact. Dans un premier temps, compte-tenu du comportement singulier du gadolinium en-dessous de la température de Curie, le modèle basé sur la théorie du champ moyen a été amélioré. Des couches de Polyéthylène ont été ensuite intercalées entre les couches de gadolinium afin d’accroître la température locale du matériau près de la température de Curie. Un régénérateur multicouche à base de gadolinium et de terbium est ensuite étudié. Dans tous les cas, les transferts thermiques sont améliorés par l’introduction de l’isolant et pour une quantité de froid produit donnée, la masse de matériau magnétocalorique nécessaire est réduite par rapport au cas sans isolant. Le régénérateur à base d’alliages de gadolinium et de terbium démontre un coefficient de performance et un rendement exergétique améliorés.



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CORRELATIONS DE LA CHUTE DE PRESSION ET DU TRANSFERT DE CHALEUR D’UN REGENERATEUR POREUX

UTILISE EN REFRIGERATION MAGNETIQUE A TEMPERATURE AMBIANTE

Jonathan Bouchard*

Laboratoire des Technologies de l’Énergie, Shawinigan, Canada * auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : régénérateur poreux ; effet magnéto calorique ; simulation numérique directe

Résumé

Un modèle tridimentionnel transitoire d’un régénérateur poreux est sommairement présenté. Le fluide régénérateur s’écoule dans les interstices formés par un agencement régulier de granules ferromagnétiques possédant un effet magnétocalorique. La résolution, par simulation numérique directe, des équations hydraudynamique thermique couplées permet de caractériser les étapes de magnétisation, de démagnétisation et de régénération du cycle de réfrigération magnétique. Une relation entre la fréquence des cycles de réfrigération et les paramètres géométriques du régénérateur permet d’optimiser son opération. En effet, la température moyenne du solide magnétique après regénération est plus près de la température de Curie si le fluide regénérateur parcours la moitié de la longueur du régénérateur. Ainsi, l’effet magnétocalorique est presque maximum cycle après cycle. Les résultats du modèle sont comparés avec des mesures hydraudynamiques dans un milieu poreux d’agencement aléatoire ainsi qu’avec des simulations en milieu poreux d’agencement régulier. Si la section simulée comporte peu de granules, la chute pression et le transfert de chaleur sont fortement influencés par les conditions frontières. L’influence dominante est plutôt le degré d’ordre si une section composée d’un grand nombre de granules est traitée. La tortuosité d’un milieu poreux réel est près de deux. L’agencement régulier simulé posède une tortuosité unitaire induisant une réduction favorable de la chute de pression tout en maintenant le transfert de chaleur. De nouvelles corrélations de la chute de pression et du transfert du chaleur pour un tel régénérateur sont formées à partir des résultats de simulation paramétrique du modèle.



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ANALYSE THERMODYNAMIQUE ET ÉCONOMIQUE DE SYSTÈMES DE TRANSPORT ET DE VALORISATION DE

CHALEUR A L'AIDE DE VARIABLES NON-DIMENSIONNELLES

Rémy POIRIER a, Mikhail SORIN a,*, Nicolas GALANIS a

a Génie mécanique, Université de Sherbrooke QC, Canada * auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : analyse énergétique ; analyse exergétique ; analyse économique

Résumé

Des systèmes de récupération, de transport et de valorisation de chaleur à basse température

provenant de sources industrielles ou naturelles sont analysés à l'aide des relations classiques de la thermodynamique. Leur performance économique est aussi analysée. Une analyse non-dimensionnelle des systèmes permet de constater que les trois indicateurs de performance des systèmes (l'efficacité énergétique, le rendement exergétique et le taux de rendement interne) dépendent de la valeur de variables non-dimensionnelles qui combinent les caractéristiques physiques et opérationnelles des systèmes.

La méthode des moindres carrés est utilisée pour développer des corrélations entre chacun

des indicateurs de performance des systèmes et les variables non-dimensionnelles. Une analyse de sensibilité permet d'identifier les variables non-dimensionnelles ayant la plus grande influence sur les indicateurs de performance.



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RETROFIT DE SYSTEMES DE RECUPERATION DE CHALEUR INDUSTRIELS PAR OPTIMISATION EXERGO-ECONOMIQUE

Mark-André Deslauriers a,*, Mikhail Sorin a, Bernard Marcos a, Marc-André Richard b

a Chaire d’Efficacité Energétique Industrielle, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Canada b Laboratoire des Technologies de l’Energie, Hydro-Québec, Shawinigan

* [email protected]

Mots-clefs : analyse économique ; analyse exergétique ; algorithme génétique ; optimisation multiobjectifs

Résumé

Dans les procédés industriels, d’importantes quantités d’énergies sont rejetées dans l’environnement sous forme de chaleur, que ce soit directement dans l’air atmosphérique ou dans l’eau des lacs et des rivières. Ces pertes thermiques sont dues à la fois aux inefficacités des équipements et aux limites thermodynamiques des procédés. Par exemple, pour le séchage de la pâte à papier, des quantités importantes d’effluents d’air chaud et humide sont produites et rejetées continuellement dans l’air ambiant. La question suivante se pose : est-il possible de récupérer une partie de cette chaleur rejetée, de la réappliquer à un procédé thermique utile et d’intégrer cette revalorisation de chaleur de manière économiquement justifiable?

Le projet proposé analysera le potentiel énergétique des rejets industriels à basse température

et la possibilité de revaloriser la chaleur de ces derniers à divers procédés industriels utilisés par la compagnie Cascades. L’objectif principal du projet est la modélisation, l’analyse énergétique et l’optimisation techno-économique de systèmes permettant de récupérer la chaleur des rejets thermiques.

La modélisation, basée sur la librairie thermodynamique CoolProp, est utilisée afin

d’exploiter les méthodes d’optimisations multi-objectifs de l’environnement de simulation de Matlab. Le design de plusieurs pièces d’équipement (échangeur de chaleur, échangeur à contact-direct et pompe à chaleur uni-étagée) peut ainsi être optimisé selon les performances économique et exergétique de son intégration dans le procédé industriel.

L’utilisation de méthodes d’optimisation globales permet ensuite de comparer plusieurs

solutions optimales d’un même système selon le compromis entre rendement économique et exergétique (front Pareto). Cette même méthode permet également de comparer divers systèmes sous conditions optimales d’investissement et d’utilisation d’exergie.



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MODÈLES DE GAZ ET DÉVELOPPEMENTS DE MAYER ET DE REEHOOVER

Amel KAOUCHEa,*, Gilbert LABELLEb

a Secteur des sciences, Université de Moncton, Edmundston, Canada b LaCIM, Université du Québec à Montréal, Canada


Mots-clefs : Limite thermodynamique; mesure de l’énergie; mécanique statistique; développement du viriel; poids de Mayer et de Ree-Hoover. Résumé

En théorie thermodynamique des gaz (imparfaits) la fonction de partition canonique est une mesure de l’énergie d’un système de N particules qui interagissent deux à deux dans un volume V selon une fonction de potentiel Q ne dépendant que de la distance entre les particules. La fonction de partition grand canonique du système est alors la série génératrice exponentielle des fonctions de partition canonique. La méthode de Mayer fait apparaître la série génératrice de l’espèce des graphes simples, valués par une fonction de poids W associé au potentiel. Cette approche permet d’interpréter et d’évaluer certains paramètres physiques. Par exemple, la pression du système, qui est essentiellement le logarithme de la fonction grand canonique, est alors la série génératrice des graphes connexes, pondérés par W. En prenant la limite thermodynamique, on obtient un nouveau poids w(c) pour chaque graphe connexe c et le nième coefficient du viriel le w-poids total des graphes 2-connexes de taille n. Il existe plusieurs variantes de cette théorie, selon la dimension du système et la fonction d’interaction Q. Ceci donne lieu dans chaque cas à un nouvel invariant w(c). Dans ce travail, nous calculons les poids de Mayer et de Ree-Hoover de graphes particuliers ou de familles spéciales de graphes 2-connexes, à partir de leur structure combinatoire. Ces poids sont calculés à partir de volumes signés de polytopes convexes associés au graphe en utilisant la méthode des homomorphismes de graphes. En faisant appel à l’inversion de Möbius, nous présentons des relations entre les poids de Mayer et de Ree-Hoover. Ces relations nous permettent de donner une définition simple explicite du concept du “star content” introduit par Ree-Hoover et d’analyser certaines de ses propriétés fondamentales. Finalement, nous montrons que les poids de Mayer et de Ree-Hoover ne sont pas exprimables comme des fonctions faisant seulement appel à certains paramètres classiques de la théorie des graphes.



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VALORISATION DES REJETS THERMIQUES INDUSTRIELS : PORTRAIT, POTENTIEL, TECHNOLOGIES ET APPLICATIONS

Hakim NESREDDINE a,*

a Institut de recherche d’Hydro-Québec, Laboratoire des Technologies de l’Énergie, Shawinigan (QC), Canada * auteur correspondant : [email protected]

Résumé Le traitement des rejets thermiques est un problème industriel important touchant plusieurs secteurs de la grande industrie : alumineries, pâtes et papiers, cimenterie, chimie etc. Les pertes de chaleur par des effluents s’élève à environ 210 TWh par année pour l’ensemble de l’industrie canadienne. Une grande partie de ces rejets n’est pas récupérée puisque leurs températures sont relativement basses. En effet, la récupération des rejets de basse température (en général inférieures à 150 oC) est ignorée en raison des coûts d’investissement relativement élevés : technologies onéreuses, la fragmentation des sources d’énergie sur le site et les contraintes techniques sont des éléments qui affectent la rentabilité économique de ce type de projet. Mais, les soucis manifestés par les pays industrialisés à l’égard de l’environnement conjugué à la hausse incessante du coût de l’énergie incitent les utilisateurs d’énergie à économiser davantage. Ce nouveau contexte, a permis aux technologies dont le coût est élevé de devenir économiquement viables. L'utilisation de la chaleur à basse température pour générer de l'électricité pourrait contribuer de manière significative à l’attente de cet objectif. À cet égard, de nombreuses solutions ont été proposées pour la production d’électricité à partir d’une source de chaleur à basse température dont certaines sont commercialisées et d’autres sont au stade de la RDD (Recherche, Développement et Démonstration). Plusieurs implantations ont été réalisées à travers le monde surtout en Europe et en Asie. Au Canada, les tarifs d’électricité à bon marché ne favorisent pas le développement des réflexes en matière de valorisation des rejets thermiques. En effet, la rentabilité des projets de conversion de rejets thermiques en électricité souffrent de ce contexte énergétique. Les diverses analyse économique démontrent que ces projets sont souvent de faible rentabilité puisque la période de retour sur l’investissement dépasse les 5 ans. Cette situation peut expliquer pourquoi le Canada accuse un retard en la matière. L’exposé portera sur le gisement des rejets thermiques de la grande industrie au Canada ainsi que sur le potentiel de conversion en électricité et les diverses applications notamment dans les alumineries, les pâtes et papiers et les cimenteries. Une analyse technico-économique d’un projet de conversion de la chaleur en électricité dans une aluminerie sera également présentée.



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MODELISATION D’UNE MACHINE A ABSORPTION HYBRIDE FONCTIONNANT A PARTIR DE REJETS THERMIQUES BASSE

TEMPERATURE

Romain LOEB a,*, Mikhail SORIN a, Brice Le LOSTEC b

a Chaire d’Efficacité Energétique Industrielle, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Canada b Laboratoire des Technologies de l’Energie, Hydro-Québec, Shawinigan

* [email protected]

Mots-clefs : absorption ; hybride ; réfrigeration ; exergie

Résumé

Les applications de réfrigération sont aujourd’hui majoritairement réalisées par des machines à compression alimentés en électricités. Animées à partir d’une source chaude, l’utilisation de machines à absorption permet d’utiliser très peu d’électricité comparée à une machine à compression et d’éliminer l’utilisation de réfrigérants ayant un impact sur l’environnement. Le faible coefficient de performance et le coût de ces machines est compensé par l’utilisation de rejets thermiques industriels destinés à être rejeté dans l’environnement et donc considérés comme gratuits.

Le but de cette étude est de modéliser et d’évaluer une machine à absorption hybride,

utilisant le couple de fluide eau et ammoniac, en y ajoutant un compresseur ou booster dans la zone haute pression du circuit. Cette modification crée une pression intermédiaire au désorbeur permettant de diminuer la température des rejets thermiques exploitables. Une température aux alentours de 60°C contre 80°C actuellement, ouvrirait alors la voie à de nouvelles sources communes basse température.

Le logiciel ASPEN Plus de simulation des procédés a été choisi afin de modéliser en régime

permanent le système. Le modèle est en partie validé par l’étude expérimentale d’une machine à absorption commerciale de 10kW pour des applications de climatisation et réfrigération. Cette machine est située au Laboratoire des Technologie de l’Energie d’Hydro-Québec.

Premièrement, pour un appareil à l’équipement figé, l’implémentation du compresseur

permet d’améliorer la flexibilité de la machine à s’éloigner de ses conditions optimales de fonctionnement. Deuxièmement, les résultats d’une étude de design basée sur la variation des rejets thermiques et de la puissance du compresseur sont alors analysés exergétiquement et économiquement à puissance constante afin de prouver l’intérêt et la rentabilité d’une machine hybride.



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POTENTIEL DE PRODUCTION ELECTRIQUE A PARTIR DE REJETS THERMIQUES D’UNE CENTRALE ELECTRIQUE DIESEL

Brice Le Lostec*

Laboratoire des Technologies de l’Énergie, Hydro-Québec, Shawinigan, Canada * auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : rejets thermiques ; production électrique ; analyse économique ; analyse de sensibilité

Résumé

Dans le cadre de cette étude, les centrales électriques au diesel ont été ciblées dans le but de produire de l’électricité, et ce, à partir de la chaleur évacuée par les systèmes de refroidissement et d’échappement des groupes. Sachant que les coûts évités sont excessivement élevés pour certaines centrales, il est clair que toute réduction de la production électrique des groupes permettrait de diminuer leurs coûts d’exploitation. Une étude de préfaisabilité visant à estimer le potentiel de production d’électricité à partir de la chaleur perdue de quatre groupes (600 kW, 1100 kW et 2x1600 kW) et à analyser la rentabilité a été effectuée. Les résultats incluent les performances instantanées et saisonnières des systèmes de conversion, de l’analyse économique et de sensibilité.

Les résultats de l’étude montrent qu’il est possible, à l’aide d’un Système ORC, d’effacer

entre 30 kW et 60 kW de puissance électrique lorsque le glycol servant au refroidissement du groupe est utilisé comme source de chaleur. La puissance électrique produite est plus que deux fois importante quand la chaleur est récupérée des gaz de combustion, soit une production entre 70 kW et 130 kW. La combinaison des deux sources de chaleur (le glycol est utilisé pour préchauffer le fluide moteur et les gaz de combustion servent à l’évaporer) permet de produire entre 120 kW et 170 kW.

Pour le cas d’étude, l’analyse technicoéconomique démontre que les coûts de production

d’électricité avec les ORC sont compris entre 3.6 et 25.1 ¢/kWh dépendamment de la configuration du système de récupération ainsi que des hypothèses adoptées sur les paramètres techniques et économiques : le coût évité, la disponibilité de la source de chaleur, le coût du système et le coût de maintenance pour n’en citer que quelques-uns.

Par ailleurs, l’analyse de sensibilité révèle que les variables les plus influentes sur l’aspect

économique du projet sont le coût évité et la disponibilité de la source de chaleur. En effet, la diminution de 25% de l’un de ces deux paramètres réduirait la VAN du projet d’environ 40%. Cependant, la rentabilité du projet demeure intéressante même dans le pire des scénarios étant donné que les coûts évités sont élevés.



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UTILISATION DES CHARGES POUR ACCROITRE LA FLEXIBILITE ET LA RESILIENCE DES RESEAUX

ELECTRIQUES : LE CONCEPT DE CHARGE INTELLIGENTE

Alain MOREAU a,*, Simon JASMIN b

aInstitut de recherche d’Hydro-Québec (LTE), Québec, Canada b Systemex Énergies, département de R&D, Québec, Canada


Mots-clefs : fréquence ; réseau ; inertie ; charge ; renouvelable

Résumé

Une charge intelligente est une charge électrique combinée à un petit dispositif électronique qui permet d’ajuster rapidement, en continu et de manière autonome la consommation de cette charge en fonction de l’état du réseau en se basant sur la mesure de la fréquence. L’objectif premier d’un tel dispositif est de fournir des services de fiabilité de réseau à la place des centrales conventionnelles, libérant ainsi une production qui est maintenue en réserve. Implicitement, ce dispositif améliore aussi la robustesse et la flexibilité du réseau grâce à un temps de réaction très rapide qui ajoute de l’inertie en fréquence au réseau, élément essentiel afin d’intégrer facilement de nouvelles formes de production au réseau.

Un algorithme de lecture de fréquence et de détection de faute locale a été développé, ainsi que plusieurs stratégies de contrôle afin d’éviter des effets potentiels néfastes de la modulation des charges. De plus, un moyen de communication via la fréquence du réseau a été mis au point et testé avec succès sur le réseau principal d’Hydro-Québec afin de pouvoir télécommander les charges, si nécessaire.

Cinq prototypes ont été implantés sur les chauffe-eaux domestiques de clients afin de tester

le concept en situation réelle. Ces cinq prototypes sont en fonction depuis plus d’un an et ils sont suivis à distance par monitoring. Les résultats de performance de ces prototypes sont présentés. Ils démontrent que, malgré la disparité géographique des installations, les dispositifs se comportent de manière homogène en fonction de la fréquence unique du réseau, créant une réserve virtuelle à même les charges. En outre, les résultats démontrent que la modulation de la demande en fonction de la fréquence est sans effet pour le client.



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SYSTEME DE GESTION ENERGETIQUE – GRANDE INDUSTRIE

Daniel Maltais a,*,

a Opnor Inc. Beacosnfield, QC, Canada * : [email protected]

Mots-clefs : SGIE ; procédé industriel ; gestion energétique ; bilan énergétique ; grande industrie

Résumé

Opnor à développer l’application “EcoMap” qui est un système de gestion, de suivi et de diagnostique énergétique pour la grande industrie qui est basé sur un bilan masse / énergie en continu. Le bilan donne un niveau de détails supplémentaires pour localiser les problèmes et intervenir rapidement au bon endroit. L’objectif du bilan consiste à se concentrer sur les principaux procédés énergivores en utilisant la règle du 80-20.

L’application EcoMap a été développée d’abord pour faire le benchmarking des opérations

courantes (best case achievable) afin de faire le suivi sur une base quotidienne. En second lieu, il permet d’identifier des nouvelles opportunités en catégorisant les mesures par niveau de rentabilité et le minimum d’injection de nouveau capital.

De base le système a des fonctionnalités ‘built-in’ comme tout bon SGIE tel que;

• obtenir en tout temps le coût énergétique et le minimum atteignable BM-Benchmark en fonction de la production courante et des conditions ambiantes,

• identifier instantanément les procédés/secteurs qui ne rencontrent pas leurs Benchmarks et les pertes inhérentes,

• grâce à des alarmes sur les paramètres critiques, rétablir les conditions d’opérations requises pour retourner aux Benchmarks.

D’un point de vue plus avancé, le système a aussi comme fonctionnalité; • de permettre de générer des bilans dans un format pour qu’il soit réutilisable dans du

contrôle cascade en boucle fermé, • d’intégrer des composantes “built-in” de certains procédés complexes qu’Opnor a eu à

optimiser au fil des années tel que sècherie de machine à papier ou à pate, fournaises de boulette de fer, régénérateur de vapeur d’un plan de pate PTM, optimisation du coût de transformation d’une centrale thermique, etc.

Opnor est spécialisée dans l’optimisation et l’efficacité énergétique pour la grande industrie. Elle offre des services d’audit énergétique, de contrat en efficacité énergétique standard ou sur performance incluant pré-ingenierie, ingénierie, devis et appel d’offre, gestion de construction, mise en services et suivi. Elle offre aussi des services de modélisation de procédés énergétiques complexes. Dans toute démarche, l’emphase est toujours mise en priorité sur l’optimisation des équipements existants et l’amélioration des boucles de contrôles de procédé.



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GESTION DE LA DEMANDE EN PUISSANCE : UNE OPPORTUNITE POUR LA MOYENNE INDUSTRIE

Marc-André Richard *, Hugues Fortin, Marie-Andrée Leduc, Alain Poulin, Camille Lemire

Laboratoire des technologies de l’énergie, Institut de recherche d’Hydro-Québec, Shawinigan, Canada * auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : gestion de la demande en puissance ; moyenne industrie ; gestion de l’énergie, gestion des pointes hivernales

Résumé

La gestion de la demande en puissance (GDP) est une approche qui consiste en un appel aux

clients pour qu’ils diminuent temporairement leur consommation d’électricité par rapport à leur usage normal. Cette stratégie est efficace pour équilibrer la demande et la fourniture d’électricité et, dans certaines juridictions, réduire les risques d’interruption de service. Elle joue le rôle d’une ressource de type capacité et énergie en périodes de pointe du réseau. Elle peut également offrir des services complémentaires, par exemple, pour l’intégration de sources d’énergie intermittentes ou servir de réserve de contingence. Chez Hydro-Québec, la GDP a été identifiée comme une source d’approvisionnement pouvant contribuer au bilan en puissance en périodes de pointes hivernales importantes. Outre l’option tarifaire électricité interruptible qui permet déjà de libérer un millier de mégawatts auprès des très grands clients (principalement des grandes industries), il existe un potentiel de GDP peu exploité dans les secteurs résidentiel, commercial-institutionnel (CI) et dans la moyenne industrie.

Le Laboratoire des technologies de l’énergie (LTE) de l’Institut de recherche d’Hydro-

Québec (IREQ) travaille présentement à identifier, quantifier et valider les opportunités qu’offre la GDP dans la moyenne industrie. Dans ce segment, étant donnée leur taille, la puissance délestable par client est relativement faible par rapport à la grande industrie, mais est tout de même supérieure à celle des clients du marché CI et résidentiel. De plus, étant donné que le coût relatif de l’électricité est faible par rapport à la valeur des produits finis, il ne fait pas nécessairement parti des priorités des clients. Les mesures de GDP sélectionnées ne doivent avoir que des impacts minimaux sur la production et ne pas en affecter la qualité. Les bons candidats à la GDP ont une flexibilité opérationnelle, une capacité de stockage (stockage de produits, stockage thermique, etc.), une capacité à passer à une autre source d’énergie (ex : groupe électrogène) et/ou opèrent un système de gestion de l’énergie. La GDP doit s’inscrire dans une approche combinée de gestion de l’énergie incluant l’efficacité énergétique et la gestion de la puissance. L’analyse du segment de la moyenne industrie québécoise a montré que les secteurs des scieries, de la production de froid dans le secteur de l’agro-alimentaire, de la plasturgie et des fonderies présentaient un intérêt particulier justifiant des efforts et une étude plus approfondie en vue de la valorisation du potentiel de GDP.



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SYSTEMES CAES THERMOMECANIQUES, PORTABLES, À HAUTE-DENSITE: TROIS ETUDES DE CAS

Richard BOUDREAULT*, François BOUFFARD

Sigma Stockage d’Énergie, Dorval, Québec, Canada * auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : stockage d’énergie ; énergies renouvellables intermittantes ; micro-réseaux ; air comprimé ; récupération thermique

Résumé

Energy storage (ES) technology reduces fossil fuel consumption and allows intermittent renewable energy to be used in remote areas relying on diesel generators. ES also enables major power consumers to manage their electricity needs strategically.

Sigma Energy Storage has created a portable, climate-resistant thermomechanical energy

storage system that integrates high-pressure compressed air energy storage (CAES) with a proprietary thermal recovery system to store and distribute energy efficiently using a specially-formulated thermal fluid. Sigma is currently in the process of designing and building a full-scale 500 kW / 2 MWh Beta unit which can be scaled up or down for various applications.

The Sigma thermal recovery system distinguishes the CAES-SES from competitors and,

combined with high-pressure compressed air storage, results in high round-trip efficiency and high energy density. This density enables the CAES-SES to fit into highly portable standard shipping containers. It can thus be placed with ease in remote areas and repositioned as needed. The long lifespan of the CAES-SES results in low levelized cost of energy while the low freezing point and wide operating temperature range of the thermal recovery system makes the Sigma CAES-SES uniquely suitable for use in extreme climates, including Arctic conditions.

Sigma’s CAES-SES has several promising business cases in multi-billion dollar markets. First is the reduction of diesel fuel consumption and generator wear and tear in off-grid communities, which are subject to significant electrical load swings. The second is also for remote communities where diesel generation is coupled with renewables. The third business case for CAES-SES targets the energy arbitrage market for power systems with significant capacity charges, such as in Ontario, Canada. Sigma Energy Storage, in partnership with McGill University, is developing a virtual model for assessing the impact of integrating a CAES-SES into various power systems.



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SIGMA STOCKAGE D’ÉNERGIE : PORTRAIT DES ALLIANCES INDUSTRIELLE-CHERCHEURS

Martin LAROCQUE a,*, Claire MARYNIAK a, Sébastien PONCET b

a Sigma Stockage d’Énergie, Dorval, Québec, Canada b Génie Mécanique, Université de Sherbrooke, Québec, Canada * auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : stockage d’énergie ; énergies renouvellables intermittantes ; micro-réseaux ; air comprimé ; recuperation thermique

Résumé

Sigma Energy Storage a conçu et développé un système de stockage d’énergie à air comprimé (CAES) en se basant sur des concepts thermomécaniques. L’innovation de sa solution intègre une unité de récupération thermique ainsi qu’un fluide caloporteur spécialement conçu (et breveté) à base d’huile thermique, de sels fondus et de nanoparticules qui permet de maximiser la récupération de l'énergie thermique (chaleur) créée au moment de la compression de l'air. Le système permet donc d'optimiser le potentiel énergétique du processus de stockage (Air Comprimé + Énergie Thermique) et favorise une efficacité accrue du processus entier en redistribuant l'énergie dans le réseau électrique au moment approprié.

Le stockage d’énergie, combiné avec les énergies renouvelables, peut diminuer l’utilisation

du diesel dans les micro-réseaux isolés, ce qui par conséquent contribue à la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). Certaines infrastructures d’énergies renouvelables (en particulier le Solaire et/ou Éolien) sont imprévisibles/intermittentes et donc dépendantes de facteurs externes tel que le vent, les marées, les courants d’eau et/ou le soleil. Les technologies de stockage d’énergie, comme le système CAES de Sigma Energy Storage, permettent à ces énergies intermittentes ainsi qu’au surplus d’électricité diesel d’être conservés et rendus disponibles au moment requis. Cela rend possible l’exploitation efficace de ces énergies renouvelables en augmentant son taux de pénétration dans les réseaux électriques.

Dans le développement de la technologie de Sigma, les alliances avec les universités et centres de recherche représentent un élément important afin de relever des défis techniques/scientifiques majeurs. Sigma, grâce à des ententes de collaboration, travail sur divers aspects fondamentaux de la thermodynamique de son système avec Ressources Naturelles Canada (groupe CanmetÉNERGIE) ainsi qu’avec divers groupes de recherche de l’Université de Sherbrooke.



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SIMULATIONS NUMERIQUES D’ÉCOULEMENT DE NANOFLUIDES EN CONDUITE CHAUFFÉE

Ghofrane Sekrani*, Sébastien PONCET

Département de génie mécanique, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Canada * auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : Transferts thermiques ; nanofluides ; modélisation numérique; convection forcée, turbulence.

Résumé

Les transferts de chaleur jouent un rôle crucial dans divers processus d’ingénierie (climatisation et froid, aéronautique et spatial, refroidissement des composantes électroniques, nucléaire, applications biomédicales…). L’intensification des échanges thermiques et l’amélioration du rendement énergétique sont devenues aujourd’hui une problématique majeure dans l’industrie. Grâce au progrès dans le domaine des nanotechnologies, une nouvelle classe des fluides, appelée "nanofluide", a été développée dans le but d’améliorer les transferts de chaleur. Ce sont des solutions colloïdales composées de particules de taille nanométrique (1-100 nm) en suspension dans un liquide de base et qui sont caractérisées par des propriétés thermophysiques remarquables.

Dans ce contexte, une étude numérique a été réalisée sur la convection forcée d’un écoulement turbulent de nanofluides de type Al2O3-eau dans une conduite uniformément chauffée. Trois fractions volumiques, φ, d’Al 2O3 : 0.02, 0.1 et 0.5%, ont été testées sur une plage de nombre de Reynolds Re entre 10000 et 20000. Un modèle monophasique a été utilisé où les propriétés du fluide de base sont dépendantes de la température et les propriétés du mélange ont été définies par des corrélations empiriques existantes dans la littérature. L’ajout de nanoparticules d’Al2O3 améliore les transferts de chaleur le long du tube comparés à l’eau pure. En effet, pour Re=18000, le nombre de Nusselt Nu a augmenté de 96.9 à 125.2 pour une augmentation de φ de 0 à 0.1%. L’augmentation du nombre de Reynolds est accompagnée d’une augmentation du nombre de Nusselt et d’une diminution du coefficient de frottement f. À titre d’exemple, pour φ = 0.5%, Nu prend les valeurs 99.4, 122.9 et 134.7 pour Re = 12000, 15000 et 17000, respectivement. Pour ces mêmes nombres de Reynolds, le coefficient de frottement a diminué de 0.0363, 0.031 et 0.0285, respectivement. Différents modèles de turbulence ont été testés pour évaluer leur capacité à prédire les comportements thermique et hydrodynamique du fluide en présence de nanoparticules. Une comparaison entre les différents modèles de turbulence et les résultats expérimentaux de Sundar et Sharma (2010) montre que le nombre de Nusselt moyen déterminé par une simulation des grandes échelles (LES) est égal à la valeur expérimentale à 1.54% près, tandis que les modèles k-ε, k-ω, SST et RSM ont donné des pourcentages d’erreur de 6.44, 6, 12.41 et 11.35%, respectivement.

Cette étude va être étendue à d’autres géométries plus complexes et à d’autres types de nanofluides. Une caractérisation expérimentale des propriétés thermophysiques de ces derniers est également en cours pour affiner les relations donnant les propriétés thermophysiques des nanofluides en fonction de la température.



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DÉMONSTRATION D'UN SYSTÈME DE RÉCUPÉRATION ET DE STOCKAGE D’ÉNERGIE SOLAIRE THERMIQUE

Michel POIRIER * et Justin TAMASAUSKAS

CanmetÉNERGIE, Ressources naturelles Canada, Varennes, Canada * auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : panneaux solaires thermiques ; réservoir eau/glace

Résumé Un nouveau concept de gestion d'énergie d'un bâtiment est proposé. Il consiste à stocker l'énergie solaire thermique dans un réservoir d'eau et de glace et à utiliser une pompe à chaleur pour extraire l'énergie du réservoir. Des simulations à l'aide du logiciel TRNSYS ont démontré que ce concept conduirait à une réduction potentielle de 86% de l'énergie électrique consommée pour les besoins de chauffage et d'eau chaude d'une maison à haute efficacité énergétique située dans la région de Montréal (Canada) et chauffée par plinthes électriques. Dans le but de valider les résultats des simulations du concept proposé et d'acquérir des connaissances sur son opération, un banc d’essai a été construit et opéré au cours des deux dernières saisons de chauffage. Les principaux équipements du banc d’essai sont des panneaux solaires thermiques d'une surface totale exposée au soleil de 11,1 m2, un réservoir de stockage de 5 m3 et une pompe à chaleur de puissance de chauffage d'environ 15 kW dont l'évaporateur est aussi un générateur de coulis de glace. Ce banc d'essai visait, entres autres, à déterminer la quantité d'énergie solaire pouvant être récupérée à Varennes au cours des mois d'hiver. Un modèle TRNSYS du banc d'essai, validé avec les résultats expérimentaux du banc d'essai, a aussi été développé pour aider à optimiser les paramètres d'opération. Ce modèle a ainsi été utilisé pour simuler l'effet des différents paramètres de design et d'opération du concept sur l'efficacité de récupération de l'énergie solaire. Les résultats de simulation qui seront présentés montreront les effets de l'orientation et de l'incli-naison des panneaux solaires, les effets du débit et de la température du fluide circulant dans les panneaux solaires, ainsi que l'effet des paramètres de contrôle du temps d'opération du banc d'essai sur l'efficacité de récupération de l'énergie solaire thermique disponible. Un des résultats les plus intéressants prédits par ces simulations est une augmentation de l'efficacité d'environ 300% lorsque la température du fluide circulant dans les panneaux solaires est de -1,5°C par rapport à +30°C. Les résultats obtenus du banc d'essai qui seront présentés confirment les efficacités de récupération prédites par les simulations. Finalement, l'énergie solaire totale récupérée à la suite de l'opération continue du banc d'essai pour chacun des mois des saisons de chauffage 2014-2015 et 2015-2016 sera présentée et comparée avec les valeurs proposées par plusieurs sources.



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SYSTEMES SOLAIRES INTEGRES AU BATIMENT : CONCEPTION, MODELISATION, DESIGN ET OPERATION

Andreas ATHIENITIS

NSERC/Hydro Quebec Industrial Chair & Professor

Scientific Director, NSERC Smart Net-zero Energy Buildings Strategic Research

Network & Director, Concordia Centre for Zero Energy Building Studies

Concordia University, Montreal

[email protected]

Mots-clefs : bâtiment solaire, photovoltaïque, modélisation, design, commande à base de modèles prédictifs

Résumé

Cette présentation s’intéresse au développement, à la modélisation et au design de systèmes hybrides photovoltaïques/thermiques intégrés au bâtiment (BIPV/T) et de fenêtres avec des cellules photovoltaïques semi-transparentes (STPV). L’intégration de systèmes BIPV/T et de fenêtres STPV à l’enveloppe de bâtiments rend possible la construction de bâtiments à consommation énergétique nette nulle. En plus de générer de l’électricité et de servir de couche extérieure à l’enveloppe du bâtiment, les systèmes BIPV/T utilisent un courant d’air en boucle ouverte circulant derrière les panneaux photovoltaïques afin de récupérer leur chaleur utile. Les fenêtres STPV intègrent les fonctions classiques des fenêtres, incluant la transmission de la lumière du jour et le contrôle des transferts de chaleur entre les environnements intérieur et extérieur, tout en générant de l’électricité d’origine solaire. Les développements récents sur les systèmes BIPV/T à entrées multiples sont présentés.

La conception de bâtiments solaires intégrant les notions précédentes est analysée. Des techniques basées sur la commande à base de modèles prédictifs (MPC) sont employées pour optimiser l’intégration de ces technologies dans les réseaux électriques intelligents et réduire la demande de pointe en chauffage. Finalement, des modèles d’ordre réduit sont utilisés pour le MPC de zones de bâtiments incluant du stockage thermique et des systèmes solaires intégrés au bâtiment.



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PRODUCTION D’ÉNERGIE VERTE À PARTIR DE MATIÈRE RÉSIDUELLE MUNICIPALE

Wassila ARRAS a,*, Serge GUIOT b, Robert HAUSLER c

a école de technologie supérieure, Montréal, Canada b énergie, mines et environnement,conseil national de recherches du Canada

c station experimentale des procédés pilotes en environnement

* auteur correspondant :[email protected]

Mots-clefs : énergie renouvelable ; méthanisation ; matière résiduelle ; procédé.

Résumé Depuis la crise du pétrole des années 1974 et 1979, la population mondiale a été sensibilisée aux risques d’épuisement des ressources non renouvelables, à l’économie d’énergie et à la protection de l’environnement. Cette prise de conscience a transformé le traitement de la matière résiduelle en une donnée incontournable pour la survie de la planète. Un tel gisement a permis de mettre en place un grand nombre de filières de traitement, parmi elles : la biométhanisation des résidus de tables. La technologie de digestion anaérobie est un phénomène complexe marqué par une succession de transformation de la matière organique grâce à des microorganismes distincts en absence d’oxygène. La production de méthane en digestion anaérobie à partir de matière résiduelle municipale est une technique innovante. Il est important de revoir les techniques d’optimisation et suggérer les domaines où des améliorations pourraient être apportées, notamment la configuration du digesteur et les conditions environnementales à l’intérieur du digesteur. Pour ce faire, objectif principal fixé est d’étudier un système de digestion anaérobie des matières résiduelles municipales dans un réacteur fonctionnant en discontinu en mode sec. L’objectif du travail vise à optimiser les paramètres de fonctionnement de la phase hydrolyse dans un système fonctionnant en deux étapes dans le but d’obtenir une meilleure solubilisation de la matière organique et augmenter la production d’acides gras volatils. Pour ce faire, différentes sources d’inoculums à trois différentes températures (35°C, 55°C et 70°C) ont été testées. Les résultats ont démontré qu’il est mieux de travailler dans des conditions hyperthermophiles (70°C).



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OUTILS D’AIDE À LA DÉCISION ET PROGRAMME DE FORMATION: POUR UNE CONCEPTION ET UNE OPÉRATION

OPTIMALE DES PROCÉDÉS INDUSTRIELS

Eric SOUCY*

Ressources naturelles Canada, CanmetÉNERGIE, Varennes, Canada * auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : outils ; conception ; opération ; formation ; procédé ; industriel

Résumé

L'intégration des procédés (IP) et l’analyse de données (Data Mining) sont des outils puissants pour la conception et l’opération optimale des procédés industriels. CanmetÉNERGIE et ses partenaires ont mis au point des outils logiciels basés sur ces techniques; INTEGRATION, EXPLORE, COGEN et I-BIOREF, ainsi que des cours techniques, afin d’aider l’industrie canadienne à améliorer sa performance énergétique et sa productivité. Le logiciel INTEGRATION utilise une approche systémique visant l'optimisation de la consommation d'énergie thermique dans les procédés industriels. Il aide les ingénieurs à identifier rapidement les sources d'inefficacités au niveau des échanges thermiques et à évaluer les possibilités de récupération de chaleur. Le logiciel EXPLORE utilise des techniques avancées d'analyse de données pour comprendre et réduire la variabilité des procédés industriels et identifier les variables les plus critiques ayant une incidence sur leurs performances. Le logiciel COGEN permet quant à lui de modéliser et d’optimiser les systèmes de cogénération industriels permettant de produire de façon plus efficace, de la chaleur et de l’électricité. Enfin, I-BIOREF offre la possibilité d’évaluer les différentes technologies de bioraffinage afin de comparer les différentes options relatives à la production de produits biosourcés à valeur ajoutée. Ces outils, à la fine pointe de la technologie, sont des éléments importants dans l'analyse des systèmes et des procédés industriels, ainsi que dans l’appui à une prise de décision rapide, efficace et abordable.

Cette présentation portera sur les capacités uniques de ces outils pour évaluer rapidement la

viabilité de divers projets d’investissement en utilisant une approche systémique, ainsi que sur l’offre de formation technique disponible.



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OPTIMISATION D’ÉNERGIE DE RAFFINAGE VIA STABILISATION DES CARACTÉRISTIQUES DE COPEAUX

POUR UN PROCÉDÉ PTM

Feng DING

Direction Équipements industriels et Productivité (ÉIP), Centre de recherche industrielle du Québec, Québec (Canada) auteur correspondant : [email protected]

Mots-clefs : SEC (énergie spécifique); CSF (indice d’égouttage); PTM (mise en pâte thermomécanique); ρ (densité en vrac sèche de copeaux); M (teneur en humidité de copeaux). Résumé

Les copeaux de bois sont la matière première de la mise en pâte thermomécanique (PTM), la variation des caractéristiques des copeaux pourrait provoquer entre 25 % et 35 % de la variation du procédé. La variation comporte les essences, la densité basale, la densité en vrac, la teneur en humidité, la fraicheur, la répartition de la teneur en humidité, le pourcentage des écorces, etc. La SEC est la quantité d’énergie consommée pour produire une tonne de pâte anhydre. Le CSF est un indice de la qualité de la pâte et est proportionnellement inverse à la SEC : plus une pâte retient l'eau, plus elle est raffinée. Plus la consommation de SEC est élevée, plus petite est la valeur du CSF.

La variation de la qualité des copeaux pourrait provoquer une variation de charge de moteur du raffineur, par conséquent une variation du CSF. La stabilisation des caractéristiques des copeaux diminuera les variations de charge de moteur et du CSF.

Une analyse statistique des données de l’usine illustre une économie potentielle d’énergie de raffinage d’environ 3,4 % à 6,4 % avec une stabilisation de la densité de copeaux. Un essai dans l’usine pilot démontre qu’une réduction de la variabilité de la densité sèche de 12 kg/m3 à 7 kg/m3 pourrait diminuer la consommation d’énergie de raffinage de 6,36 %.

Pour stabiliser la densité sèche de copeaux, le CRIQ a développé un système CMS-Énergie pour mesurer les caractéristiques de copeaux en temps réel, et ensuite développer un système de contrôle de vis doseuses afin de minimiser la variation de débit de masse sèche de copeaux dans le raffineur primaire selon la mesure du CMS-Énergie. Une installation à l’usine a démontré une économie de la SEC d’environ 5 %.

Les défis de cette étude sont de mesurer la teneur en humidité de copeaux avec une précision de ±1,5 %, de diminuer l’écart-type de la densité sèche de 12 kg/m3 à 7 kg/m3 et de diminuer la SEC de 5 % pour un procédé PTM.



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ENJEUX ÉNERGÉTIQUES ET TECHNIQUES D’AMÉLIORATION DE L’EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE INDUSTRIELLE :

APPLICATION AUX USINES PAPETIÈRES CANADIENNES

Zoé PÉRIN-LEVASSEUR*

Ressources naturelles Canada, CanmetENERGIE, Varennes, Canada * auteure correspondante : [email protected]

Mots-clefs : interactions eau-énergie ; efficacité énergétique ; optimisation énergétique globale ; pâtes et papiers

Résumé Le prix volatil de l’énergie et des règles environnementales de plus en plus contraignantes

pour l’industrie ont conduit cette dernière à prendre des initiatives pour minimiser sa consommation d’eau et d’énergie. Dans l’industrie des pâtes et papiers, les consommations d’eau et d’énergie sont inter-reliées : la consommation d’énergie augmente avec la consommation d’eau. L’énergie et l’eau peuvent représenter jusqu’à 25% des coûts de production. Certaines usines canadiennes subissent également de grands changements (fermeture de lignes de production, installation d’un système de cogénération, modes d’opération ou de production différents, transition progressive vers le bioraffinage, etc.), ce qui engendre des impacts sur les bilans énergétiques et massiques de leur procédé de production. Ces impacts sont souvent quantifiés localement au sein d’un secteur, mais pas nécessairement avec une vision de l’ensemble des opérations de l’usine. De plus, le réseau d’eau est rarement optimisé lors de ces changements.

Une approche systématique, globale et pratique a été développée pour traiter le problème de la réutilisation d’eau et la récupération d’énergie dans les systèmes complexes de production industrielle. Elle permet de prendre en compte plusieurs défis observés lors de la mise en œuvre des techniques d’optimisation énergétique traditionnelles (telles que les audits énergétiques simplifiés ou détaillés, les analyses de pincement classiques, etc.). Une extraction méthodologique des données d’opération, l’évaluation systématique des interactions eau-énergie et leur répercussion sur l’opération des chaudières et des turbines, ainsi qu’une communication proactive et régulière avec les ingénieurs et les décideurs clés des usines visées, sont quelques éléments importants permettant de proposer des projets d’économie d’eau et d’énergie innovants et rentables et qui, souvent, peuvent être facilement implantés. La stratégie favorisée pour la mise en œuvre des projets d’économie d’énergie et d’eau est celle prenant en compte les priorités d’investissement en capitaux et les interactions potentielles entre projets, à court, moyen et long terme.

L’approche a été appliquée dans une dizaine d’usines papetières canadiennes. Les résultats obtenus jusqu’à présent sont prometteurs. Les usines peuvent réduire typiquement leur coût énergétique de 2 à 5 M$/an (économie de combustible, vente additionnelle d’électricité renouvelable, ou les deux en même temps) tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre. Plusieurs projets sont déjà implantés ou en voie de l’être au sein de ces usines. Cette présentation fait un survol des éléments clés à considérer pour l’obtention de mesures concrètes d’efficacité énergétique. Plusieurs exemples sont utilisés pour illustrer la mise en pratique et les résultats de la méthodologie proposée.



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NOUVELLE APPROCHE POUR LES ESSAIS DE RÉPONSE GÉOTHERMIQUE : TRT EN MODE CONTRÔLE DE PUISSANCE THERMIQUE ET DE GESTION DES OPÉRATIONS À DISTANCE

Claude Hugo KOUBIKANA P.a,*, Jasmin RAYMONDa, Jean-Marc BALLARDa, Patrice KWEMOb

a INRS-ETE, Québec,Canada b ENERGIE-STAT, Montréal,Canada


Mots-clefs : TRT ; Énergie géothermique ; Puissance thermique ; Gtrend, Conception.

Résumé

Le test de réponse thermique (TRT) est un essai de terrain qui permet d’évaluer les paramètres thermiques du sous-sol et des échangeurs de chaleur. Il est utilisé pour le dimensionnement des forages lors de la conception d’un système géothermique installé pour le chauffage et la climatisation d’un bâtiment. Le procédé classique mobilise une logistique lourde et l’emploi d’une génératrice électrique puissante; qui par hypothèse, pour l’analyse avec la méthode de la ligne source, doit fournir une tension stable pendant l’essai afin de réduire les fluctuations de la puissance thermique injectée et des températures mesurées. La difficulté de maîtriser cette condition pendant l’essai, à cause des oscillations de l’onde électrique et des variations de la température atmosphérique, engendre des erreurs dans l’évaluation de la conductivité thermique du sous-sol et le dimensionnement du système. L’impact final affecte le coût initial du projet, compromet la performance des équipements et allonge la période du retour sur l’investissement. Il est donc apparu nécessaire d’apporter une solution technologique capable de minimiser cette problématique et les conséquences associées.

À cet effet, la firme Énergie–Stat a mis au point le système Gtrend qui a été mis à l’essai du 8 octobre 2015 au 2 novembre 2015 sur un forage géothermique situé aux laboratoires lourds du Centre Eau Terre Environnement de l’Institut national de la recherche scientifique à Québec. Le Gtrend est une plateforme modulaire et portative qui permet la gestion automatisée du contrôle de la puissance thermique injectée dans le forage à partir des signaux de capteurs de températures et de débit. Ses autres avantages sont l’accès aux données et le contrôle à distance sans risque de perturbation du procédé en cours, la production d’informations tendancielles en temps réel et la paramétrisation des opérations à partir d’équipements de télécommunication. Les résultats obtenus lors d’essais ayant pour but de comparer différents modes de fonctionnement, soit la gestion in situ versus à distance et le contrôle de puissance électrique versus puissance thermique, sont cohérents. La différence obtenue pour l’évaluation de la conductivité thermique du sous-sol avec les données mesurées in situ et à distance est de moins de 7 % et diminue à 2 % lorsque le contrôle de puissance thermique est utilisé. Ces résultats indiquent un potentiel significatif pour la réduction des erreurs, des coûts de projets et de l’empreinte environnementale.

Colloque 202 Efficacité énergétique industrielle · 2017. 11. 17. · Une des possibilités...

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