Analyse de l’enthalpie et de l’exergie

Description

L’analyse de l’énergie (ou de l’enthalpie) et l’analyse de l’exergie sont des techniques fondées sur la détermination de l’énergie ou de l’exergie des flux du système thermique étudié et ainsi que des bilans énergétiques ou exergétiques des composants reliés par ces flux.

Pour conduire ces analyses, il convient de suivre les étapes ci-après :

1. Les limites du système étudié (l’usine dans sa globalité ou seulement en partie) sont à définir avec précision.

2. Le système global doit être fractionné en diverses parties reliées entre elles par des flux de matières et d’énergie. L’importance du morcellement dépend du niveau d’approfondissement demandé à l’analyse et des informations disponibles.

3. Les propriétés thermodynamiques caractérisant les flux doivent être définies : débit massique, pression, température, composition, puissance sur l’arbre, flux thermique, etc.

Lorsque l’analyse porte sur un système existant, ces informations sont obtenues par la mesure. En revanche, si l’analyse concerne une installation en devenir, on fait appel à la simulation.

4. Lorsque tous les flux définis ont été entièrement caractérisés, il est possible de déterminer leur enthalpie et leur exergie (voir Section 1.2.2 et Annexe 7.1).

5. Les enthalpies et les exergies peuvent servir à déterminer d’autres paramètres tels que les pertes d’énergie dans les composants, les irréversibilités, les rendements, et peuvent

être démontrées, par exemple, avec les diagrammes de Sankey (énergie) ou de Grassmann (exergie).

6. Ces bilans et ces analyses peuvent être effectués en temps réel à des intervalles de temps différents et les informations relatives aux « coûts exergétiques », par exemple la quantité de ressources exergétiques nécessaires à l’établissement d’un flux donné, peuvent être utilisées pour diagnostiquer les dérives de la performance de l’usine par rapport à un état de référence reconnu comme tel.

7. Enfin, la relation entre thermodynamique et économie peut-être déterminée facilement, étant donné que le coût de tout dysfonctionnement ou inefficacité d’un sous-système de l’usine a deux composantes : premièrement, la quantité de ressources en matière et deuxièmement, l’argent dépensé pour la compenser. La théorie exposant les principes fondamentaux d’une telle technique est dénommée la thermoéconomie (voir Section 2.14).

Comme on peut le constater, les analyses énergétiques et exergétiques peuvent être menées en parallèle, et leurs résultats s’expriment dans les mêmes unités. Toutefois, l’analyse exergétique, bien que moins utilisée et plus complexe, s’avère plus utile parce qu’elle met directement en évidence les points où des économies d’énergie sont possibles.

L’énergie est une grandeur physique qui se conserve : elle n’est ni créée, ni détruite, de sorte qu’une analyse énergétique ne peut que rendre compte de l’énergie perdue à travers les limites du système (pertes de chaleur, gaz évacués dans la cheminée, etc.). Toutefois, chaque transformation de l’énergie donne lieu à une dégradation de sa qualité : l’énergie se conserve mais son utilité décroît toujours. Dans cet ordre d’idée, l’exergie est une mesure définie pour prendre en compte la qualité de l’énergie. L’énergie électrique et le travail mécanique sont les formes d’énergie offrant la meilleure qualité et par conséquent leurs contenus énergétiques et exergétiques sont exactement identiques. D’un autre côté, une masse d’eau chauffée à 20 degrés au-dessus de la température ambiante possède de l’énergie, mais son contenu exergétique est négligeable. Le contenu exergétique mesure exactement la convertibilité maximum (en unités d’énergie) d’un flux donné en d’autres formes d’énergie. De ce fait, l’exergie n’est pas une grandeur qui se conserve. Dans chaque processus à l’état stable, l’exergie des flux entrants est toujours supérieure à l’exergie des flux sortants. Cette différence est dénommée irréversibilité, et sa quantification par une analyse exergétique permet de déceler les points où la qualité de l’énergie se dégrade (en d’autres termes, les endroits où il est possible d’économiser de l’énergie). (Ces aspects sont expliqués de manière plus détaillée dans l’Annexe 7.1).

A titre d’exemple, considérons une chaudière utilisée pour produire de la vapeur basse pression pour un procédé donné. Si l’on fait une analyse énergétique, cette chaudière peut avoir un rendement énergétique de 85 %, et semble être un dispositif efficace. Toutefois, la qualité de l’énergie contenue dans la vapeur est faible, de sorte que le rendement exergétique de la chaudière peut n’être que de 25 % environ. Cette valeur faible indique qu’il existe un fort potentiel d’économie d’énergie, si par exemple, l’on remplace la chaudière, par un générateur de vapeur à récupération de chaleur d’un système de cogénération dans lequel les gaz chauds en entrée ont été utilisés pour entraîner une turbine qui capte l’énergie de haute qualité.

Contrairement à ce que l’on pourrait croire intuitivement, plus la qualité de la sortie est faible, plus le rendement énergétique de la chaudière, pouvant être réalisé industriellement, est élevé ; toutefois l’indicateur de rendement exergétique est conforme à ce que dicte le bon sens.

Avantages obtenus pour l’environnement

Ces analyses permettent de localiser les pertes d’énergie et d’exergie, ainsi que les endroits offrant le plus fort potentiel pour économiser de l’énergie. Comme l’exergie dépend de toutes les propriétés caractérisant un flux donné, elle permet aussi de déceler les endroits où sont produits des polluants dans l’usine, ainsi que les quantités produites.

Effets croisés

Vraisemblablement aucun.

Données opérationnelles

La disponibilité des informations concernant les flux inhérents au système énergétique constitue le point clé de l’application de ces techniques. Ces informations sont obtenues par des mesures dans les usines en exploitation et par simulation au stade de la conception. Cette contrainte limite le degré d’approfondissement des analyses.

Applicabilité

Le concept d’exergie est utilisé dans de nombreuses situations pour localiser les endroits où il existe une perte de ressources naturelles (voir les références bibliographiques ci-dessous).

Cette technique peut être appliquée à tout système thermique. L’un de ses grands avantages réside dans le fait qu’elle rend possible les comparaisons entre différentes usines. En outre, l’analyse exergétique fournit une référence absolue : le système idéal qui est un système sans irréversibilité aucune.

L’analyse peut être utilisée pour déterminer l’état d’une usine en exploitation, en utilisant des résultats de mesures disponibles et en les comparant à des valeurs théoriques. Par ailleurs, il est utile d’étudier des voies alternatives et les possibilités d’amélioration dès le stade de conception.

Toutefois, l’utilisation de l’exergie dans les sociétés est encore limitée. Aux Pays-Bas, par exemple, le concept d’exergie est utilisé dans les divisions ingénierie des grands groupes, tels que Shell, Dow Chemical, Unilever, DSM, AKZO NOBEL, etc. et dans un certain nombre de grandes société d’ingénierie. Plusieurs études ont été réalisées. Elles aboutissent toutes à la conclusion que les analyses d’exergie apportent des informations valables mais que les analyses prennent trop de temps, et qu’il n’existe pas suffisamment de données avec lesquelles comparer les résultats. Par exemple, une analyse comparative fondée sur les rendements exergétiques n’est pas chose facile, en raison de l’absence de données pour effectuer des comparaisons. Un programme commercial permettant de calculer les exergies a été mis au point pour faciliter les analyses d’exergie. A l’aide de ce programme, il est possible de calculer les exergies des flux sur des flowsheets propriétaires, avec une réduction importante du temps nécessaire à la conduite des analyses exergétiques. Toutefois, les flowsheets sont onéreuses et seul un nombre réduit de sociétés en ont suffisamment l’utilité pour en justifier le coût.

La plupart des petites et moyennes entreprises n’utilisent pas ce type de logiciel, en raison de leur coût élevé, du manque de personnel formé à cet effet et du niveau de précision requis pour l’introduction des données dans ces programmes. Pour ces sociétés, il a été inventé une nouvelle méthode qui est actuellement en cours de mise au point.

Aspects économiques

L’analyse exergétique a la réputation d’être onéreuse et difficile. Toutefois, si une information sur les propriétés des flux est disponible (ce qui est une situation fréquente), les analyses d’enthalpie et d’exergie peuvent être effectuées à coût réduit. Un nombre restreint d’outils sont disponibles pour effectuer ces analyses en y associant un progiciel de flowsheet. De cette manière, l’analyse peut être effectuée rapidement et efficacement. Les pertes d’exergie désignent les endroits où les économies les plus importantes peuvent être réalisées (en termes de matière, d'énergie et donc de coûts). Le coût d'une analyse énergétique est au moins de 5000 EUR.

En outre, pour des projets de faible amplitude, l’analyse peut être manuelle. Dans ce cas, l’utilisation qu'on peut faire de l'analyse exergétique est très limitée. Une nouvelle méthode dénommée balayage exergétique est en cours de mise au point afin de d’offrir un outil utile.

Agent moteur pour la mise en œuvre

Il s'agit d'une technique à faible coût qui peut valoriser les mesures faites par l'usine. Elle fait également apparaître les composants offrant des possibilités d'économies d'énergie. Les informations obtenues dans le cadre de cette analyse peuvent aussi être exploitées au moyen d'autres outils, comme les diagrammes de Sankey (voir Section 2.7.1).

Exemples

Les analyses de l’énergie (ou de l’enthalpie) sont couramment utilisées pour l'évaluation d'un système thermique en fonctionnement ou lors de sa conception. L'utilisation de l'exergie n'est pas aussi fréquente, même si elle a tendance à augmenter. Comme mentionné ci-dessus, de grands groupes tels que Shell, Dow Chemical, Unilever, DSM, AKZO NOBEL, etc. ainsi que de grandes sociétés d’ingénierie y ont fait appel.

Références bibliographiques [227, TWG]

Des informations et des exemples d'analyses d’enthalpie et d’exergie peuvent être trouvés dans n'importe quel ouvrage de thermodynamique de l'enseignement supérieur. Pour de plus amples précisions sur l'analyse exergétique, consulter

 T. J. KOTAS. Krieger, The Exergy Method of Thermal Plant Analysis, Florida, 1996

 Kotas, T.J., The Exergy Method of thermal and chemical processes, Krieger Publishing Company, Melbourne, USA, 1999.

 Szargut J., Morris D.R., Steward F.R., Exergy Analysis of Thermal, Chemical and Metallurgical Processes, Hemisphere, New York, 1988

 Cornelissen, R.L., 1997, Thermodynamics and sustainable development, The use of exergy analysis and the reduction of irreversibility, Ph.D. thesis, University of Twente, http ://www.ub.utwente.nl/webdocs/wb/1/t0000003.pdf)

 Cornelissen, R.L., and Boerema C. 2001, Exergy Scan - the new method for cost effective fuel saving, Proceedings of ECOS 2001, p.p. 725-731, Istanbul.

Outils :

 Exergy calculator : http ://www.exergoecology.com/excalc

 ExerCom and Exergy Scan : des informations supplémentaires sont disponibles à l’adresse suivante : www.exergie.nl

2.14 Thermoéconomie

Description

Les techniques d'analyses thermoéconomiques associent la première et la deuxième loi de la thermodynamique avec des informations de coûts au niveau du système. Ces techniques aident à comprendre le processus de formation des coûts, à minimiser les coûts de production globaux et à affecter des coûts à plusieurs produits issus du même procédé.

Comme indiqué dans la Section 1.2, l'énergie n’est pas consommée dans les procédés, mais en revanche, l’énergie utile se dégrade en des formes moins utiles. Des processus éminemment irréversibles, comme la combustion, le transfert de chaleur, la réduction de pression etc. ne peuvent être analysés qu’au moyen d'une analyse exergétique (voir Section 2.13). L’exergie constitue une mesure du changement, objective et universelle, et peut être considérée comme le trait d’union entre la thermodynamique et les méthodologies d'évaluation des coûts parce qu'elle est reliée aux propriétés d’état comme la pression, la température, l'énergie, etc., qui sont mesurables. Une analyse économique peut évaluer les coûts en combustible, les coûts d'investissement, d'exploitation et d'entretien de l'installation.

Ainsi, la thermoéconomie évalue le coût des ressources consommées, l'argent et les irréversibilités du système au regard du procédé de production dans sa globalité. La thermoéconomie fait apparaître de quelle manière il est possible d’utiliser plus efficacement les ressources dans l'optique de les économiser. Les coûts en argent traduisent l’impact économique des inefficacités et sont utilisés pour améliorer les rapports qualité-prix des procédés de

production. L'évaluation du coût des flux et des procédés dans une usine aide à comprendre leur processus de formation, depuis les ressources en entrée jusqu'aux produits finaux.

Avantages obtenus pour l’environnement

Principalement, des économies d'énergie, mais également une réduction des matières consommées et gaspillées ou émises sous forme d'effluents

Effets croisés

Il n'a pas lieu d'en attendre d'une technique de calcul.

Données opérationnelles

Ces analyses permettent de résoudre des problèmes liés à des systèmes énergétiques complexes qui ne sauraient être résolus par des analyses énergétiques traditionnelles. Entre autres applications, l'analyse thermoéconomique est utilisée pour:

 l'évaluation rationnelle des prix des produits de l'usine, fondée sur des critères physiques.

 l’optimisation des variables spécifiques à une unité de traitement en vue de minimiser le coût de production final c'est-à-dire une optimisation totale et globale.

 la détection des inefficacités et le calcul de leur impact économique dans les usines en exploitation c'est-à-dire le diagnostic thermoéconomique de l'exploitation de l'usine.

 l'évaluation des diverses alternatives pour la conception, les décisions opérationnelles et la rentabilité de l'entreprise.

 les audits énergétiques.

Applicabilité

Aucune donnée disponible.

Aspects économiques Selon le cas considéré.

Agent moteur pour la mise en œuvre

Réductions des coûts et économies de matières.

Exemples

Diverses centrales électriques (y compris avec cycle combiné à gazéification), raffineries, usine de produits chimiques, raffineries de sucre, usine combinée de production électrique et de dessalement, systèmes de chauffage urbain, etc.

Références bibliographiques [258, Tsatsaris and Valero, 1989]

À l’adresse : http://teide.cps.unizar.es

Valero : Thermoeconomics : A new chapter of physics, etc.

A.Valero and C. Torres : Thermoeconomic analysis

D’autres informations sont disponibles sur des sites tels que : http ://www.eolss.net/E3-19-toc.aspx