L’industrie perd environ 20 % de l’énergie qu’elle consomme dans les fumées qu’elle rejette dans l’atmosphère. Il est fortement recommandé d’améliorer l’efficacité énergétique des procédés industriels. Pour cela, le développement des solutions techniquement efficaces et économiquement viables est indispensable. Parmi les solutions connues à ce jour, la récupération et valorisation de la chaleur fatale industrielle via le stockage thermocline est pertinente et a déjà été commercialisée. Cet article traite le principe du stockage thermocline, les matériaux développés pour ce type de stockage, et un exemple d’application industrielle.
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Industrial Waste Heat : Valorisation by Thermocline Storage
Industry wastes about 20% of the energy it consumes in the fumes, which are released into the atmosphere. It is strongly recommended to improve the energy efficiency of industrial processes. For this purpose, the development of technically efficient and economically viable solutions is essential. Among the solutions known to date, the recovery and use of industrial waste heatviathermocline storage is relevant and has already been marketed. This article discusses the principle of thermocline storage, the materials developed for this type of storage, and presents an example of an industrial application.
Auteur(s)
Doan PHAM MINH
: Professeur - Université de Toulouse, IMT Mines Albi, CNRS UMR 5302, Centre RAPSODEE, Campus Jarlard, Albi, France
Yasmine LALAU
: Maître assistante - Université de Toulouse, IMT Mines Albi, CNRS UMR 5302, Centre RAPSODEE, Campus Jarlard, Albi, France
Thibaut ESENCE
: Ingénieur-docteur en énergétique et génie des procédés - Eco-Tech Ceram, Balma, France
INTRODUCTION
La chaleur fatale est la chaleur générée qui n’est pas utilisée, et qui est donc rejetée dans l’atmosphère. Elle est particulièrement présente dans différents secteurs industriels tels que la céramique, la métallurgie, la verrerie, l’alimentaire, la construction, etc. Une partie de la chaleur perdue dans ces secteurs industriels se trouve sous forme de fumées chaudes. En fonction du secteur et du procédé industriel, les fumées rejetées présentent des caractéristiques différentes en termes de température, de composition, de débit et d’intermittence d’émission. À ce jour, la chaleur fatale industrielle est encore peu valorisée.
La valorisation de la chaleur fatale industrielle par le stockage thermocline apparaît comme une solution potentielle. Il s’agit d’un système de stockage constitué d’une enveloppe isolante qui est remplie d’un matériau de stockage thermique. Lors de la phase de charge, les fumées chaudes générées par un site industriel passent par cette enveloppe et cèdent la chaleur au matériau de stockage. Une zone de gradient de température (zone de thermocline) est formée au sein du matériau de stockage, qui délimite les zones chaude et froide. Cette thermocline se déplace au fur et à mesure vers la sortie de l’enveloppe de stockage. Lors de la phase de décharge, un fluide à la température ambiante (par exemple de l’air) circule dans le système et récupère la chaleur stockée, générant un fluide chaud en sortie. Ce fluide chaud est utilisé et ainsi la chaleur fatale est valorisée.
Cet article présente les gisements de chaleur fatale qui sont disponibles en France et dans le monde, les solutions de valorisation, en particulier la solution de stockage thermocline. Les fluides de transfert thermique et les matériaux de stockage thermique sont discutés. Un exemple de l’application industrielle récente de valorisation des fumées d’un site de production de céramique est présenté.
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Un système de stockage thermique est constitué d’un réservoir contenant les matériaux de stockage thermique et le fluide de transfert, et il doit être intégré au procédé et/ou au réseau énergétique par des tuyauteries et échangeurs thermiques, des auxiliaires de circulation du fluide caloporteur (ventilateur ou pompe), et éventuellement des convertisseurs d’énergie (thermique/électrique par exemple). Au sein du réservoir de stockage, la chaleur peut être stockée sous différentes formes.
2.1 Différentes formes de stockage de la chaleur
La chaleur peut être stockée sous trois formes [BE 8 597] :
sensible : l’énergie est stockée sous forme de chaleur sensible par l’élévation de température du matériau de stockage, selon la relation (1). Au cours de la variation de la température entre T1 et T2, le matériau de stockage ne subit aucun changement de phase et accumule une quantité de chaleur Q telle que :
( 1 )
Dans cette relation, m est la masse du matériau (kg), Cp sa capacité calorifique (J · kg–1 · K–1) et T sa température. La chaleur est ensuite restituée au cours du refroidissement du matériau ;
latente : la chaleur est stockée sous forme de chaleur latente par une élévation de la température faisant subir au matériau un changement de phase, généralement solide-liquide. La chaleur peut être stockée sous forme à la fois de chaleur sensible et de chaleur latente selon l’équation (2) :
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(1) -
Chiffres clés du climat – Édition 2022
-
. Ministère de la transition écologique et de la cohésion des territoires https://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/chiffres-cles-du-climat-france-europe-et-monde-edition-2022
(2) -
Rapport SECTEN édition 2022
-
, CITEPA. https://www.citepa.org/fr/secten/
(3) -
La chaleur fatale industrielle
-
. Ademe ISBN : 979-1-02970-895-4 (2017). https://librairie.ademe.fr/energies-renouvelables-reseaux-et-stockage/2312-chaleur-fatale-9791029708954.html
(4) -
PUSCHNIGG (S.), LINDORFER (J.), MOSER (S.), KIENBERGER (T.) -
Techno-economic aspects of increasing primary energy efficiency in industrial branches using thermal energy storage
-
. Journal of Energy Storage, 36, p. 102344 (2021). https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102344
(5) -
Consommation finale d’énergie par secteurs
-
, Ministère de la transition écologique et de la cohésion des territoires https://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/consommation-finale-denergie-par-secteur-pefa?rubrique=20&dossier=171
Bibliographie & annexes
En anglais
Matériaux pour le stockage thermocline
( 1 )
