Design of heat integration architecture for variable or batch processes including heat storages and energy conversion systems

Méthodologie de conception de l'architecture d'intégration énergétique des procédés variables incluant des stockages thermiques et des systèmes de conversion d'énergie

Sahar Salame (1)

1 CES - Centre Efficacité Énergétique des Systèmes

Many heat integration methods were developed to achieve high-energy efficiency in industry. Most of them are dedicated to continuous processes. However, statistics show that 50 % of processes are variable or batch. Hence: how to energetically integrate variable or batch processes including heat storages and energy conversion systems while minimizing the consumed exergy in the process? How to design utilities while considering the constraints on the energy network like the fluctuation of energy prices (imposed to reduce the energy consumption on peak hours) and the energy availability (resulting from the use of renewable energies)?The first part of the thesis presents the model to design the optimal architecture of heat integration in discontinuous processes including heat storages and energy conversion systems (heat pumps, tri-thermal machines, ORC etc.). This model allows the design of heat storages. The capacity and temperatures of energy conversion systems are also determined using this model. The objective is to reduce the consumed exergy in the process.The second part present the model for utilities design taking into account the real behavior of those under part load conditions or under constraints imposed by the network. It is an economic optimization.

Pour atteindre une haute efficacité énergétique dans l'industrie, des méthodes d'intégration énergétique ont été développées. La plupart de ces travaux traitent des procédés continus. Or 50 % des procédés industriels sont des procédés discontinus ou variables dans le temps. D'où la problématique : comment effectuer l'intégration énergétique des procédés discontinus ou variables dans le temps en incluant le stockage thermique et les systèmes de conversion d'énergie tout en minimisant l'exergie consommée ? Et comment dimensionner les utilités dans ce type de procédés pour répondre aux contraintes imposées par le réseau et aux obligations d'effacement ? La première partie présente le modèle de conception de l'architecture d'intégration énergétique des procédés discontinus en incluant les stockages thermiques et des systèmes de conversions d'énergie (pompes à chaleur, ORC, machines trithermes) dans la phase de conception. Ce modèle permet le dimensionnement et la détermination de la température des stockages thermiques ainsi que des systèmes de conversion d'énergie en minimisant l'exergie consommée dans le procédé. La deuxième partie présente le modèle de dimensionnement des utilités, en prenant en compte leur fonctionnement réel à charge partielle ou soumises à des contraintes imposées par le réseau. C'est une optimisation économique permettant de déterminer le nombre, le type et la capacité des utilités permettant de satisfaire les besoins du procédé en l'intégrant énergétiquement.

Mots clés: Heat recovery; Batch plants

Mots clés: Integration energetique; Multi-Periode; Milp

Domaines: Génie des procédés

Sahar Salame. Méthodologie de conception de l'architecture d'intégration énergétique des procédés variables incluant des stockages thermiques et des systèmes de conversion d'énergie. Génie des procédés. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2015. Français. ⟨NNT : 2015ENMP0087⟩. ⟨tel-01449262⟩