I. Introduction de cette approche

 

Afin d’aider à la compréhension de la mise en place de cette analyse, un exemple simple (trois courants chauds et deux courants froids) sera présenté tout au long de cette synthèse. Il permettra d’illustrer cette méthode à travers les différents tracés de courbes réalisés à l’aide de EchTherm, logiciel disponible pour les adhérents du GRETh.

 

I.1. But et origine de cette méthode

 

La méthode du pincement (pinch method) a initialement été développée dans les années 70 à l’école polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich) et à l’université de Leeds (Bodo Linnhoff and John R. Flower 1978 ; Bodo Linnhoff 1979) pour la thèse de B. Linnhoff suivi de son directeur de thèse J.R. Flower. C’est en 1982 qu’est parue la première édition de "Pinch analysis & Process integration" [16], la deuxième édition fut publiée en 2007 [12]. Le but de ses recherches est d’optimiser les échanges thermiques au sein d’un site industriel et ainsi effectuer des réductions de consommation énergétique des procédés. Pour cela, la synthèse des besoins énergétiques (flux froids) et des énergies disponibles (flux chauds) est établie pour optimiser l’utilisation de ces différents flux en s’appuyant sur un critère économique (meilleur compris entre les coûts d’exploitation et les coûts d’investissement).

 

 

I.2. Déroulement de la synthèse d’un procédé

 

Avec l’évolution de l’analyse par la MP au fil des années, il s’agit aujourd’hui d’une partie intégrale de la stratégie pour le développement et la conception de procédés, souvent connu sous le nom de synthèse de procédé.

 

 

I.3. En quoi consiste cette méthode d’analyse ?

 

Il s’agit d’une approche rigoureuse, structurée, avec des principes simples qui permettent d’optimiser l’utilisation de ressources d’un site industriel telles que l’énergie. Pour optimiser le coût d’utilisation de l’énergie, l’analyse par la méthode du pincement se focalise essentiellement sur sa quantité et sa qualité nécessaire au bon fonctionnement du procédé. Les inefficacités dans l’utilisation de l’énergie sont détectées pour ensuite sélectionner des projets d’économies d’énergie rentable. Cela revient à évaluer les besoins de chaque type d’utilités (nécessaire pour combler les besoins du procédé) et ainsi optimiser l’efficacité avec laquelle l’énergie totale est produite.

 

 

I.4. Principes à connaître

 

Voici le résumé des informations nécessaires à la bonne compréhension de la méthode du pincement :

 

II. Extraction des données spécifiques à l’analyse par la méthode du pincement

 

Lors de la phase de collecte des données, la quantité d’informations peut être très grande et il arrive qu’une partie de celles-ci ne soit pas utile pour l’analyse par la méthode du pincement. Il faut donc extraire uniquement les informations qui serviront à caractériser les sources et les puits de chaleur ainsi que leurs interactions dans le procédé. Une source de chaleur est un courant de matière "chaud" qui contient une quantité d’énergie récupérable et/ou qui doit être refroidi pour satisfaire les besoins du procédé (ex : refroidissement du courant entre la sortie du réacteur et l’entrée du séparateur). Un puits de chaleur est un courant de matière "froid" qui doit être chauffé avant d’être utilisé dans le procédé (ex : réchauffement du courant entre le stockage de l’alimentation froide et l’entrée du réacteur).

 

 

III. Tracé des courbes de courants

 

Les données et caractéristiques des courants de matières vont permettre dans un premier temps d’effectuer un bilan de masse et d’énergie complet et précis du procédé étudié afin de tracer les courbes température-charge thermique (Figure 1) correspondant aux courants chauds et aux courants froids. La charge thermique H (ou Q) d’un courant (kW) est souvent appelée "enthalpie", mais il ne faut pas la confondre avec le terme thermodynamique "enthalpie spécifique" (kJ/kg).

 

 

IV. Construction des courbes composites

 

Le diagramme des courbes composites est un des outils essentiels de l’analyse par la méthode du pincement. Ces courbes représentent le profil des sources et des puits de chaleur disponibles, respectivement appelées courbe composite chaude et courbe composite froide. Basées sur les courbes des courants tracées préalablement, leur construction est assez simple et elles permettent d’avoir des informations plutôt intéressantes puisqu’elles seront utilisées pour déterminer les valeurs cibles de consommation minimale en énergie d’un procédé.

 

 

V. Détermination des cibles de consommation minimale en énergie

 

Pour déterminer les besoins minimums en énergie, nous aurons besoin des courbes composites réalisées précédemment. Comme nous l’avons également vue, l’axe de la charge thermique indique des quantités relatives, ce qui implique que ces courbes peuvent être déplacées de gauche à droite sans que cela modifie les caractéristiques thermodynamiques des courants de matière (Figure 5a). C’est sur ce principe que nous allons nous appuyer pour la détermination des besoins minimums en énergie.

 

V.1. Le point de pincement

 

Ce point de pincement est défini par l’écart vertical le plus faible entre les deux courbes composites. On le symbolise par \(\Delta T_{min}\) , qui indique donc la différence de température minimale qui est acceptable entre les deux fluides traversant un échangeur de chaleur dans le procédé, tel que représenté sur la Figure 5. Le point de pincement permet également de séparer le problème en deux zones distinctes. Premièrement la zone se trouvant au-dessus du point de pincement (à droite de celui-ci), où il y a un manque d’énergie et qui nécessite donc un apport de chaleur pour satisfaire les besoins du procédé (zone puits). Et deuxièmement la zone se trouvant au-dessous du point de pincement (à gauche de celui-ci), où il y a un surplus d’énergie et qui nécessite donc uniquement du refroidissement (zone source), Figure 6.

 

 

V.2. La zone de recouvrement

 

La zone de recouvrement des courbes composites met en avant la quantité maximale d’énergie thermique qu’il est possible de récupérer au sein du procédé. Ce potentiel maximal de récupération d’énergie est délimité par le départ de chacun des deux courants (situé à gauche pour le courant froid et à droite pour le courant chaud), Figure 5b.

 

 

V.3. Analyse et règles

 

L’analyse par la méthode du pincement nous permet alors, comme démontré ci-dessus, d’établir les cibles de consommation minimale d’énergie nécessaire pour satisfaire les besoins d’un procédé avant même d’en arriver à la phase de conception du réseau d’échangeurs thermiques. Nous pouvons donc dès cet instant avoir une idée des économies qu’il sera possible de réaliser sur le procédé ou l’ensemble du site.

 

 

VI. Compromis : Coûts de l’investissement - Coûts énergétique

 

L’optimisation par cette analyse du pincement se fait en trouvant le meilleur compromis entre les coûts d’investissement (directement liés au coût des échangeurs et donc à leurs surfaces d’échanges) et les coûts d’exploitation (directement liés à la consommation énergétique), Figure 9. Au final, le choix de la valeur du pincement \(\Delta T_{min}\) est déterminé par les contraintes technologiques et la nature des flux énergétiques considérés (ex : surface d’échange, efficacité énergétique du système).

 

 

VI.1. Influence de la variation du pincement

 

Voici les deux cas de figures qui se présentent, et selon lesquels le compromis sera à effectuer :

 

 

VI.2. Observation des courbes et explications

 

En étant plus concret et en suivant l’analyse des courbes de la Figure 10, une augmentation du \(\Delta T_{min}\) entre les courbes composites chaude et froide se traduit par une diminution de la zone de recouvrement de ces courbes, d’où la baisse du potentiel maximal de récupération d’énergie et donc une hausse des besoins en chauffage et en refroidissement. En revanche, lorsque ces courbes s’éloignent, les écarts de température entre les courants chauds et les courants froids augmentent, laissant une plus grande différence de température entre les fluides circulant dans les échangeurs. Cela permet de diminuer les surfaces d’échanges et de réduire le coût global des échangeurs thermiques.

 

 

VI.3. Nouvelle installation

 

Jusqu’à maintenant la méthode du pincement a été utilisée pour déterminer les cibles de consommation énergétique d’un procédé. Comme nous l’avons vue précédemment, la consommation énergétique dépend du choix de \(\Delta T_{min}\)  pour le procédé. Dans le cas où il y a peu de contrainte entre les courants chauds et froids, il est possible de mettre en place un compromis entre le coût d’investissement et la consommation énergétique [18].

 
Détermination de la surface d’échange :
 

 

VI.4. Modification/Amélioration d’installations

 

L’analyse par la méthode du pincement peut être appliquée pour des installations nouvelles comme nous l’avons vue précédemment ou pour la modernisation d’installation déjà existante. Le nombre d’applications en vue d’une amélioration est beaucoup plus élevé que le nombre d’application d’installation nouvelle.

 
Informations disponibles :
 

 

VII. Construction de la courbe "grand composite" (utilisation de plusieurs utilités)

 

VII.1. Utilité de ce type de courbe

 

 

VII.2. Renseignements supplémentaires

 

Les courbes composites vues précédemment sont utilisées pour déterminer la consommation minimale en énergie assez rapidement mais leur utilisation devient plus complexe lorsqu’il s’agit d’avoir des indications claires sur les quantités d’énergie que les utilités ont à fournir de façon à réduire le coût global des utilités (Voir la Figure 12). Contrairement aux courbes tracées précédemment, celles de la Figure 12 n’ont aucun lien avec l’exemple présenté jusqu’ici. Elles permettent uniquement d’observer l’utilisation des courbes composites et de la courbe "grand composite" dans le cas où il serait possible d’utiliser plusieurs utilités.

 

Les courbes composites de la Figure 12a mettent en avant les cibles de consommation pour les niveaux d’utilités extrêmes tels que l’utilité à haute température et le système de réfrigération. Les courbes composites équilibrées représentées sur la Figure 12b permettent d’inclure les utilités aux courants du procédé (à leurs valeurs cibles de charge thermique). Ces courbes mettent en avant le fait que :

 

 

VII.3. Comment la construit-t-on ?

 

Le tracé de cette courbe (Figure 13) est effectué grâce aux courbes composites tracées précédemment et se fait en deux étapes comme suit :

 

 

VII.4. Analyses

 

Ce type de courbe permet globalement d’observer graphiquement les flux d’énergie dans le procédé :

 

 

VII.5. Règles au niveau du point de pincement des utilités

 

 

VIII. Résumé des Avantages / Inconvénients