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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
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
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)
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
Contexte
Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 3
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
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
État de l’art des projets existants
Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 4
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
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
État de l’art des projets existants
Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 5
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
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
Objectif du projet
Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 6
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.
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
La ressource solaire
Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 7
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
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
SORELAIT – DANONE
Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 8
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
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
SORELAIT – DANONE : Système de production
Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 9
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
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
Modélisation
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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
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
Intégration thermique
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Augmentation de température dans la bâche de mélange : préchauffe de l’eau d’alimentation de la chaudière
Pimposée = 6 bar Tsat = 158 °C
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
Simulation
Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 12
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)
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
Simulation
Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 13
Simulation des quantités d’énergie sur une semaine
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
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
Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 14
Laboratoire PIMENT Université de La Réunion
Journées Nationales sur l’Énergie Solaire les 13-15 juin 2017 à Perpignan, France 15
Sadi Carnot, Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance