Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Présentation de la méthode d'optimisation de Thermoptim

Remarque

Optimisation des systèmes énergétiques complexes grâce aux méthodes exergétiques

Limites des approches d'optimisation classiques

Les approches classiques en matière d'optimisation des technologies énergétiques, valables pour optimiser un par un les différents composants d'une installation, restent insuffisantes pour guider le concepteur dans le choix de la meilleure configuration du système complet.

Notre approche par intégration systémique permet de :

  • garantir la meilleure cohérence entre l’ensemble des besoins et des disponibilités en énergie

  • réduire les irréversibilités systémiques induites par l’assemblage des éléments du système et leurs positionnements relatifs.

L’efficacité des systèmes augmente, grâce notamment à une meilleure régénération interne

Les travaux réalisés sur cette méthode depuis plus de dix ans ont donné lieu à :

  • plusieurs publications scientifiques

  • des collaborations avec des industriels (BABCOCK, EDF, Framatome-Areva)

  • un ensemble d’algorithmes validés et implémentés dans Thermoptim

La puissance de la méthode repose pour une grande partie sur le fait qu'il n'est pas nécessaire de définir a priori le réseau d'échangeurs. Ce n'est que lorsque que l'optimum a été trouvé que celui-ci est construit.

Mise en oeuvre de la méthode

Une fois le système à optimiser modélisé, la mise en œuvre de la méthode se déroule en quatre étapes :

La première étape consiste à sélectionner les fluides qui doivent être pris en compte par les algorithmes de la méthode du pincement[1]. Les fluides choisis peuvent être regroupés en deux catégories : les fluides chauds ou disponibilités, que l'on doit refroidir et qui cèdent de la chaleur, et les fluides froids ou besoins, que l'on doit réchauffer en leur fournissant de la chaleur. Cette sélection se fait à partir du simulateur, les fluides considérés pouvant être soit le plus souvent des transfos de type échange, soit des thermocoupleurs.

Une fois les fluides choisis, la seconde étape, appelée " minimisation du pincement", permet de calculer l'appoint minimum à fournir à haute température. La minimisation du pincement est obtenue en exécutant une variante du Problem Table Algorithm (PTA) de Linnhoff. Thermoptim trie les températures des fluides et construit un tableau dans lequel les bornes de température sont stockées par ordre décroissant. Pour chaque intervalle de température, il calcule la somme des enthalpies des fluides chauds et froids. Le besoin en appoint s'en déduit. En chiffrant très exactement la valeur minimale des besoins en appoint, cette étape définit un objectif à atteindre qui permet ensuite de quantifier précisément l'écart entre l'optimum théorique et la solution la meilleure sur le plan technico-économique.

La troisième étape permet de construire les courbes composites. Ces courbes jouent un rôle fondamental dans la méthode du pincement[1][1], car c'est sur leur analyse qualitative que se basent les raisonnements physiques ou d'ingénieurs dont il a été parlé plus haut.

La courbe composite chaude (resp. froide) est construite en cumulant, par niveau de température, les enthalpies disponibles dans les fluides chauds (resp. froids). Sur la figure ci-contre, la composite chaude est tracée en rouge, au dessus de la composite froide (en bleu). Leurs positions relatives constituent une caractéristique systémique de l'installation considérée, et les pincements apparaissent aux endroits où elles sont les plus proches (il y en a deux ici).

La Courbe des Ecarts des Facteurs de Carnot (CEFC, en vert sur la figure) peut être construite en soustrayant la composite froide de la chaude. Les irréversibilités du système sont exactement égales à l'aire sous-tendue par cette courbe.

Les pincements correspondent aux zones les plus contraintes du système. Leur identification permet de savoir immédiatement quels sont les fluides qui jouent un rôle critique dans la configuration globale, et donc quelles sont les zones du système dont la conception doit faire l'objet d'un soin particulier.

En visualisant les pincements de manière physiquement très parlante, cette méthode constitue un guide précieux là où auparavant étaient employées des méthodes heuristiques nécessitant parfois de nombreuses itérations.

En fonction du résultat obtenu lors de ces deux dernières étapes, des modifications du procédé peuvent être envisagées. Elles sont intéressantes si elles permettent de déplacer le ou les pincement(s) et de réduire l'appoint ou d'augmenter la production d'énergie utile. Des itérations prennent alors place entre les reparamétrages du modèle dans le simulateur et les étapes 2 et 3 de la méthode d'optimisation.

La quatrième étape est celle de l'appariement des fluides pour construire les échangeurs de chaleur. Relativement complexe et longue à mettre en œuvre, elle ne doit être envisagée que lorsque le paramétrage du modèle est jugé satisfaisant. Elle est facilitée par l'utilisation des blocs d'échange.

A titre d'exemple, le réseau d'échangeur obtenu pour optimiser un cycle combiné à deux niveaux de pression est donné ci-dessous.

Vous trouverez des renseignements complémentaires dans la documentation de la méthode d'optimisation .

  1. Pincement

    On appelle pincement d'un échangeur l'écart minimal de température en son sein.

    L'importance du pincement se manifeste surtout dans les problèmes de conception des réseaux d'échangeurs complexes, au point que de puissantes méthodes d'optimisation basées sur cette notion ont été développées.

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