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Journées Nationales sur l’Energie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France

Avec la participation de :

Laboratoire PIMENT Université de La Réunion

Étude de l’Intégration de Chaleur Solaire aux Procédés Industriels Réunionnais : cas de l’Usine de SORELAIT-DANONE

Olivier MARC, Emeric TAPACHES, Alexandre OUDIN,

Frantz SINAMA, Jean CASTAING-LASVIGNOTTES


Contexte

Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 2

Données issues des tâches de l’IEA (Agence Internationale de l'Énergie) Tâche 33 (2003-2007) ; Tâche 49 (2010-2016)

Utilisation de l'énergie renouvelable : 10%

dans le secteur de l'industrie

(essentiellement de la biomasse) Solaire thermique : << 1%

Capacité solaire : fournir

de la chaleur à 30-400°C

La chaleur : >50%

de la consommation

mondiale d'énergie

finale (2014)


Contexte


Secteur Procédés Température (°C)

Agroalimentaire

Séchage 30-90

Nettoyage 60-90

Pasteurisation 60-80

Cuisson 95-105

Stérilisation 110-120

Traitement thermique 40-60

Industrie plastique

Préparation 120-140

Distillation 140-150

Séparation 200-220

Extension 140-160

Séchage 180-200

Assemblage et mise en forme 120-140

Industrie papetière

Cuisson et séchage 60-80

Eau chaude 60-90

Blanchissement 130-150

S. Kalogirou, Applied Energy 76 (2003) 337–361

Niveaux de température dans les procédés industriels

Besoin en chaleur entre 50°C à 250°C

Capteur plan

(50-120°C)

Tube sous-vide

(80-170°C)

Cylindro-parabolique

(100-450°C)

Linéaire Fresnel

(100-300°C)

Niveaux de température de capteurs solaires thermiques

http://task33.iea-shc.org/data/sites/1/publications/task33-Process_Heat_Collectors.pdf http://task49.iea-

shc.org/data/sites/1/publications/Task%2049%20Deliverable%20A1.3_20160504.pdf


État de l’art des projets existants


Données issues des tâches de l’IEA (Agence Internationale de l'Énergie) Tâche 33 (2003-2007) ; Tâche 49 (2010-2016) Recensement des centrales existantes dans le monde : http://ship-plants.info/

76

33

24 21

9 8 4 3 0 2

10 3 3 1

No

mb

re d

e p

roje

ts

Puissance solaire thermique installée [kW]

Répartition de la densité de

population en 2010 Carte d’ensoleillement

global annuel

Plus de 50% des installations : < 200 kWth

Très dense en Europe, faible/moyen ensoleillement

Fort potentiel en Inde et en Chine

Très peuplés

Fort ensoleillement

http://ship-plants.info/






État de l’art des projets existants


Données issues des tâches de l’IEA (Agence Internationale de l'Énergie) Tâche 33 (2003-2007) ; Tâche 49 (2010-2016) Recensement des centrales existantes dans le monde : http://ship-plants.info/

76

33

24 21

9 8 4 3 0 2

10 3 3 1

No

mb

re d

e p

roje

ts

Puissance solaire thermique installée [kW]

D: Industrie textile

E: Industrie chimique

F: Électricité, gaz, vapeur, eau

G: Construction

H: Autres

A: Agriculture et pêche

B: Mines et carrières

C: Industries alimentaires et des boissons

A 5%

B 4%

C 44%

D 13%

E 20%

F 2%

G 1%

H 11%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

A B C D E F G H

<130°C 130<T<250°C







Objectif du projet


Besoin

en chaleur

(T°, Puissance,

Énergie)

Technologie

captation

Ressource

Solaire (global

ou direct)

Secteurs industriels dominants à La Réunion : agroalimentaire et BTP

Secteur visé : agroalimentaire

Moyen de production actuel : Chaudière au fioul ou à gaz (quasi-totalité) hors

ECS

Objectif : Diminuer la facture énergétique et l’empreinte environnementale des

industries réunionnaises en intégrant une boucle de chaleur solaire à leurs moyens

de production existants (hybridation)

Finalité : Apporté une preuve de concept sur le territoire

Trouver une adéquation

« optimale » entre le besoin en

chaleur de l’industrie, la technologie

de captation et le gisement solaire.


La ressource solaire


Besoin

en chaleur

(T°, Puissance,

Énergie)

Technologie

captation

Ressource

Solaire (global

ou direct)

Ensoleillement global (GHI) Ensoleillement direct (DNI)

Source : Météo France Source : Lab. PIMENT

Site GHI DNI

SORELAIT - DANONE ≈1800 kWh/m²/an ≈1900 kWh/m²/an

70 km


SORELAIT – DANONE


2 Chaudière au fioul : Température ≈ 165°C

Pression ≈ 7 bar

Débit de vapeur = 2,5 t/h

Fonctionnement : 24h/24h et 5j/7j

Chaudière : STEIN ENERGIE SU90

Puissance : 1680 kW

Volume : 3,5 m3

Surface de toiture ≈ 2200 m²


SORELAIT – DANONE : Système de production


Récupération des condensats (≈ 80%)

Pas de récupération de la chaleur des fumées

Chaleur de combustion ≈ 9,4 MWh/24h

Régulation tout-ou-rien : 6,3 – 7,3 bar

Possibilité : améliorer l’efficacité des modes

de production existants avant l’hybridation

solaire

Instrumentations, pas de temps = 10s

𝒒𝒔𝒐𝒍𝒂𝒓

Champ de capteurs

solaires

𝒒𝒅𝒊𝒔

𝒎𝒓 𝒎𝒉𝒘

Brûleur

𝒒𝒈𝒂𝒔

𝒒𝒅𝒊𝒔

Eau

Vapeur

Fumées

𝒎𝒈

Échangeur de

chaleur

Chaudière

Bâche de

mélange

𝑻𝒉𝒘

𝑻𝒄𝒐𝒏𝒅

𝑻𝒄𝒘

𝑻𝒗

𝐏𝒃𝒐𝒊𝒍𝒆𝒓

𝑻𝒃𝒐𝒊𝒍𝒆𝒓

𝑻𝐬𝐮𝐫𝐟𝐚𝐜𝐞

Les variables en vert sont mesurées

USINE

𝒒𝐮 𝒎𝒔

𝒎𝒗

𝒎𝒂𝒊𝒓

𝒎𝒇𝒖𝒆𝒍

𝒎𝒄𝒐𝒏𝒅

𝒎𝒄𝒘

Les variables en rouge sont supposées


Modélisation


Modélisation nodale en dynamique à l’échelle des composants (0-D) : bilan de masse et d’énergie

𝒎𝒓

Bâche de

mélange

𝑻𝒉𝒘

𝑻𝒄𝒐𝒏𝒅

𝑻𝒄𝒘

𝒎𝒄𝒐𝒏𝒅

𝒎𝒉𝒘 𝒎𝒄𝒘

Par exemple :

𝑑𝑚𝑟

𝑑𝑡= 𝑚 𝑐𝑜𝑛𝑑 +𝑚 𝑐𝑤 −𝑚 ℎ𝑤

𝑑ℎ𝑟𝑑𝑡

= 𝑚 𝑐𝑜𝑛𝑑 ∙ ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 +𝑚 𝑐𝑤 ∙ ℎ𝑐𝑤

−𝑚 ℎ𝑤 ∙ ℎℎ𝑤 − 𝑞𝑑𝑖𝑠

𝑞𝑑𝑖𝑠 = UA ∙ 𝑇𝑟 − 𝑇𝑎𝑚𝑏

Comparaison : Mesure/Simulation

Modélisation du champ de capteurs à tubes sous-vide + huile de synthèse : N lignes en parallèle de 10 capteurs en séries

𝜂 = 𝜂0 − 𝑎1 ∙ 𝑇∗ − 𝑎2 ∙ 𝐺 ∙ 𝑇∗2

𝑞𝑐𝑎𝑝 = 𝑚 𝑐𝑎𝑝 ∙ 𝑐𝑝 ∙ 𝑇𝑖 − 𝑇𝑜 = 𝜂 ∙ 𝐴 ∙ 𝐺


Intégration thermique


Augmentation de température dans la bâche de mélange : préchauffe de l’eau d’alimentation de la chaudière

Pimposée = 6 bar Tsat = 158 °C


Simulation


Température dans la bâche de mélange

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

GH

I [W

/m2

]

Tem

pér

atu

re d

e la

bâc

he

[°C

]

Temps

Tbâche simulée sans capt(°C) Tbâche simulée 150 capt (°C) GHI (W/m2)


Simulation


Simulation des quantités d’énergie sur une semaine


Conclusion & Perspective

Influence du taux de récupération des condensats

Étude des capteurs à concentration

Intégration à directement dans la chaudière

Génération directe de vapeur

Étude de la fonction de stockage

Gestion des intermittences et le découplage entre la ressource solaire et le besoin en chaleur




Sadi Carnot, Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance

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