Volume 24, numéro 2, septembre 2010

L’intégration énergétique des procédés : un outil puissant pour des projets rentables

Dans le secteur industriel, de grandes quantités d’énergie sont perdues sous plusieurs formes. Bien sûr, la récupération de chaleur est une méthode efficace, mais peut s’avérer complexe et coûteuse. L’intégration énergétique des procédés est une approche qui permet à une entreprise d’améliorer sa performance, tant pour sa consommation d’eau, d’énergie ou de matière première, tout en réduisant ses émissions de GES. Cette méthode peut générer en moyenne 25 % d’économie d’énergie.

Dans un projet d’intégration, le procédé est analysé dans son ensemble et on examine l’interaction entre ses différentes ­composantes.

L’intégration peut toucher des domaines aussi différents que la production de vapeur, la réfrigération et la compression de l’air. Selon le secteur d’activité industrielle, le potentiel d’économie d’énergie peut varier de 10 à 40 %. Très souvent, la période de récupération de l’investissement se situe entre 6 mois et 3 ans.1

De façon générale, une étude d’intégration comporte sept principales étapes:

  1. Diagramme simplifié des courants d’énergie du procédé
  2. Bilan de masse et d’énergie
  3. Bilan d’énergie détaillé de certains ­équipements
  4. Analyse des possibilités de modifi­cation des conditions de fonctionnement
  5. Analyse de pincement « Pinch analysis »
    > Déterminer les points d’échange de chaleur et extraire les données
    > Tracer les courbes composites (CC) et la grande composite
    > Déterminer les principales sources d’inefficacité énergétique
    > Établir les échanges qui sont des sources importantes d’inefficacité
    > Identifier les options de projet
  6. Étude de préfaisabilité technico­-économique
  7. Sélection des projets de développement d’une stratégie d’implantation

Les trois premières étapes consistent à déterminer et à schématiser les courants d’énergie, les débits de fluide, les températures et la quantité d’énergie échangée aux différentes étapes et pour les divers équipements du procédé. Tout au long de l’analyse, les modifications aux conditions de fonctionnement (étape 4) doivent être intégrées aux bilans de masse et d’énergie afin de connaître le véritable potentiel d’économie d’énergie. L’étape 5, l’analyse de pincement, est sans doute la plus complexe et le cœur de ­l’intégration de procédés. L’analyse par pincement permet de déterminer si la consommation ­d’énergie d’un procédé est optimale.

L’analyse considère tous les échanges thermiques qui peuvent exister dans un procédé, pour ensuite vérifier si ceux-ci sont optimaux.

Lorsqu’on parle d’échange de chaleur, on ne parle pas seulement de ceux qui sont faits à l’aide d’échangeurs de chaleur conventionnels, mais aussi d’évaporateurs, de condenseurs, de séchoirs, de fours, d’injection de vapeur dans un ­réservoir, etc.

Une fois que ces points d’échange sont déterminés, on en vérifie la qualité et s’il y a lieu, on les bonifie. Le but de cette amélioration est bien sûr d’assurer le meilleur échange possible, mais aussi de déterminer le besoin minimal en énergie du procédé. Ce qui, en d’autres termes, veut dire qu’en déterminant le besoin minimal en énergie d’une opération, le surplus sera le potentiel d’économie. C’est à partir de ces données que les courbes com­posites sont tracées.

Les courbes composites sont une représentation graphique de la totalité des ­demandes en chauffage et en refroidissement d’un procédé, sur un diagramme de température (T) en fonction du flux de chaleur (H). On construit la courbe en représentant dans le tableau toutes les sources et les demandes de chaleur et de froid du procédé.

Ainsi, dans le graphique I, on remarque le fameux point de pincement qui nous ­indique l’endroit où les échanges de chaleur sont plus critiques. Cette valeur (Delta T minimum — ΔTmin) est choisie en cours d’analyse. Elle dépend des limites physiques du système et de l’expérience de celui qui fait l’analyse. On remarque aussi que le ­graphique nous donne les valeurs mini­males en sources chaudes et froides pour un ΔTmin donné et la récupération de ­chaleur maximale.

Illustration de courbes composites types

Graphique I (1)

C’est aussi à partir de l’analyse de pincement qu’on trouve les sources d’inefficacité énergétiques et que les projets d’amélioration sont proposés. À l’origine, la construction de cette courbe était un travail long et ardu et demandait beaucoup de temps. Maintenant, un logiciel conçu par Ressources naturelles Canada (RNCan) effectue cette tâche. Le logiciel est à la disposition de tous les participants à la formation en intégration énergétique de procédés (IP) de Canmet. Les deux dernières étapes d’intégration consistent à réaliser une étude de faisabilité technico-économique à partir des données issues de l’analyse de ­pincement et de sélectionner les projets les plus rentables.

Afin de mieux saisir l’impact de cette méthodologie, le tableau suivant résume la situation initiale et les résultats d’un projet réalisé au cours des dernières années1.

Client Distillerie de grande taille
Consommation annuelle
en gaz
5 000 000 $
Équipements Autoclave, colonnes à distiller, évaporateur, séchoir, environ 35 échangeurs de chaleur
Problématique Plusieurs audits énergétiques non concluants
Conclusion avec l’IP 9 projets proposés ayant un potentiel de réduction de la consommation énergétique de 40 %, ou 2 000 000 $ par année

Daniel Gendron, ing.
Groupe DATECH

1. Information et données tirées du manuel de formation du cours « Intégration énergétique des procédés industriels » présenté par RNCan et l’Agence de l’efficacité énergétique.