Brevet FR2988814A1 — publié le 20131004

Domaine technique L'invention concerne le domaine technique de l'échange de chaleur, et des réseaux de chaleur. L'invention a pour objet une méthode de mutualisation de l'énergie thermique (chaleur) à l'échelle du territoire dans laquelle on met en oeuvre une boucle d'échange thermique reliant au moins un site consommateur d'énergie thermique et au moins un site producteur d'énergie thermique. L'invention a également pour objet un système de mutualisation de chaleur permettant la mise en oeuvre de ladite méthode. Art antérieur Sur un même territoire, par exemple à l'échelle du canton, on peut trouver des usines qui ont souvent des difficultés à valoriser l'énergie produite sous forme de chaleur à bas niveau thermique (les calories transportées typiquement par des fluides à des températures inférieures à 150°C) et des locaux à usage d'habitation, de bureaux ou industriels qui ont des besoins d'énergie sous forme de chaleur à basse température (chauffage habitat ou tertiaire, opérations de séchage, chauffage de serres...). Les usines qui n'utilisent pas leur excès de chaleur à bas niveau thermique, comme les raffineries ou les centrales nucléaires, ont généralement recours à: - des aéro-réfrigérants qui sont des échangeurs entre les fluides de procédé et l'air, ayant pour but de dissiper la chaleur dans l'air, ces appareils sont généralement équipés de ventilateurs électriques pour forcer la circulation d'air ; - et/ou des tours de refroidissement, sorte de cheminées à tirage naturel, dans lesquelles de l'eau est pulvérisée pour aider au refroidissement. Ici encore la chaleur part dans l'atmosphère. - et/ou des circuits d'eau de refroidissement (eau glycolée en général), l'eau froide étant obtenue soit par échange de chaleur dans un échangeur avec de l'eau de mer, de fleuve... ou par des groupes froids. Ici encore la chaleur est perdue dans l'environnement. De leur côté, les habitations, bureaux ou locaux à usage industriel qui ont besoin de chaleur à basse température: - génèrent eux-mêmes cette chaleur par des moyens de combustion ou électriques. Dans les deux cas, des combustibles sont consommés et des émissions de CO2 sont engendrées. - et/ou importent de la vapeur en provenance d'un industriel voisin ou d'un réseau de chauffage urbain, l'un comme l'autre consommant des combustibles pour cette production de chaleur. Les intégrations thermiques entre usines et/ou locaux d'habitation ou de bureau sont rares, car lorsqu'une intégration thermique est retenue, les deux parties deviennent dépendantes du fonctionnement de l'autre. Un tel exemple d'intégration énergétique est par exemple décrit pour le chauffage de serres agricoles dans http://www.innovagro.net/pdf/agroindustries.pdf. Les contraintes d'obligation de fourniture, de pénalités pendant les phases d'arrêt, bref, de criticité en cas de défaillance d'une des parties est un verrou qui décourage généralement les investisseurs. Comme décrit dans l'exemple précédent, le fait de pouvoir disposer de l'énergie excédentaire d'un industriel voisin, quand il est unique, ne dispense pas le bénéficiaire de devoir investir dans une chaudière propre pour assurer les défaillances éventuelles de l'industriel voisin. Les systèmes existants consistent à partir d'une chaufferie industrielle à fournir un fluide chaud généralement de l'eau à une température autour de 100°C et à récupérer en retour de le fluide refroidi par l'utilisateur. Ce dispositif oblige à fortement paralléliser le réseau (ramifications) afin que chaque utilisateur dispose d'une température suffisante. Cette parallélisation des lignes d'alimentation et l'obligation d'utiliser des tuyaux (1 pour le l'aller et 1 pour le retour) entraînent des pertes thermiques importantes. On retrouve ce problème par exemple sur le site internet de la Compagnie Parisienne de Chauffage Urbain http://www.cpcu.fr/La-chaleur-urbaine/FONCTIONNEMENT. Description de l'invention Résumé de l'invention L'invention concerne une méthode de mutualisation de chaleur à l'échelle du territoire dans laquelle on met en oeuvre une boucle d'échange thermique reliant au moins un site consommateur d'énergie thermique et au moins un site producteur d'énergie thermique, ladite boucle comprenant un fluide caloporteur dont le débit est ajusté de manière à ce qu'en tout point de la boucle les écarts de température soient inférieurs à 20°C, le ou lesdit(s) site(s) consommateur(s) prenant en un point de la boucle l'énergie nécessaire par échange thermique et le ou lesdit(s) site(s) producteur(s) rejetant par échange thermique l'énergie produite en excédent. Avantageusement, la température de la boucle est maintenue constante au moyen d'une chaufferie d'appoint. Dans un mode de réalisation, on met en oeuvre un stockage tampon de chaleur de type thermobatterie pour stocker au sein de la boucle de l'énergie thermique excédentaire. On peut introduire dans la boucle un Cycle organique de Rankin pour valoriser sous forme électrique de l'énergie thermique excédentaire. De préférence, le fluide caloporteur est choisi parmi l'eau, les mélanges aqueux, les alcools, les hydrocarbures ou les liquides ioniques. Le fluide caloporteur peut comprendre des particules de matériau à changement de phase.30 L'invention concerne également un système de mutualisation de chaleur à l'échelle du territoire comprenant : - au moins un site consommateur d'énergie thermique ; - au moins un site producteur d'énergie thermique ; - une boucle d'échange thermique qui relie entre eux lesdits sites consommateurs d'énergie thermique et lesdits sites producteurs d'énergie thermique, et qui comprend des échangeurs thermiques et un fluide caloporteur dont le débit est ajusté au moyen d'une pompe. Dans le système selon l'invention, la boucle peut comprendre une chaufferie d'appoint. Description des figures Figure 1 : La figure 1 illustre un système connu de l'art antérieur consistant à partir d'une chaufferie industrielle C à fournir un fluide chaud (1) généralement de l'eau à une température autour de 100°C et à récupérer en retour le fluide refroidi (2) par l'utilisateur, par exemple des bâtiments placés en parallèle B1, B2, Bn. Les figures 2 à 5 illustrent l'invention à titre non limitatif. Figure 2 : la figure 2 représente le système selon l'invention permettant la mise en oeuvre d'une boucle d'échange de chaleur entre des émetteurs (ex : usines) et des consommateurs d'énergie (ex : bâtiments). Figure 3 : La figure 3 illustre le mode de réalisation selon l'invention dans lequel des stockages tampon de chaleur mutualisée sont mis en oeuvre. Figure 4 : La figure 4 illustre le mode de réalisation de l'invention, dans lequel le système comprend un cycle organique de Rankin.30 Figure 5 : La figure 5 illustre le mode de réalisation de l'invention, dans lequel le ou les fluide(s) caloporteur(s) de la boucle chimique comprend ou comprennent un matériau à changement de phase sous forme de capsules. Plus particulièrement, le système selon l'invention (figure 2) consiste à mettre en place entre un ensemble de consommateurs et d'émetteurs d'énergie une boucle commune d'un fluide caloporteur. Au moyen d'échangeurs thermiques situés sur la canalisation de la boucle, en fonction de leurs besoins, des consommateurs prennent l'énergie dont ils ont besoin par échange thermique et les émetteurs rejettent par échange thermique l'énergie qu'ils produisent en excédent. Au moyen d'une pompe P, un fluide caloporteur circule dans la boucle reliant des consommateurs d'énergie (bâtiments B1, B2, B3, Bn) et des émetteurs d'énergie (usines U1, U2). Le débit du fluide caloporteur est choisi de manière à ce qu'en tout point de la boucle les écarts de température soient faibles, de préférence entre 5 et 20°C (par exemple, l'écart de température maximal peut être de 20°C, c'est-à-dire une température la plus élevée égale à 80°C et une température la plus faible égale à 60°C). Le fluide caloporteur est tout fluide permettant d'échanger la chaleur dans les différents équipements d'échanges thermiques et est de préférence choisi parmi les fluides à l'état liquide à des pressions comprises entre 1 et 20 bar relatifs, afin que le prix de canalisation de la boucle ne devienne pas trop élevé. On peut citer comme exemple de fluide caloporteur l'eau ou les mélanges aqueux ou les alcools ou encore les hydrocarbures ou encore les liquides ioniques. Parmi les consommateurs, on peut citer comme exemple des bâtiments domestiques ou industriels à chauffer ou bien des usines mettant en oeuvre des procédés industriels qui nécessitent de la chaleur, comme pour réaliser des opérations de séchage, par exemple dans l'industrie agro-alimentaire. Parmi les émetteurs, on trouve des usines devant dissiper de la chaleur qui était perdue dans l'atmosphère selon l'art antérieur. La température de la boucle est avantageusement maintenue, par exemple si le bilan d'énergie des contributeurs à la boucle (ici les usines U1 et U2) est déficitaire, à l'aide d'une chaufferie d'appoint C dont la taille est fortement réduite par rapport à la chaufferie industrielle de l'art antérieur qui était la seule source de chaleur. Il en résulte que la consommation globale d'énergie selon l'invention est fortement réduite, puisque la chaleur est mutualisée au sein de la boucle, et que la chaufferie d'appoint est dimensionnée dans l'objectif de lisser les écarts de température au sein de la boucle. Dans un mode de réalisation de l'invention, le système (figure 3) peut être équipé d'un ou plusieurs stockages tampon de chaleur mutualisée Q, appelés "thermobatterie" par les sociétés qui les fabriquent (ex: société allemande H.M. Heizkôrper). Le système de stockage utilise par exemple de l'acétate de sodium. Le stockage de chaleur permet de lisser la température de la boucle dans le temps (par exemple jours/nuits ou été/hiver) ou également permettre d'assurer le chauffage des bâtiments lorsqu'une usine fournisseur de chaleur est en opération de maintenance. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le système peut également (figure 4) être équipé d'un cycle organique de Rankin (COR) qui permet de valoriser l'énergie thermique excédentaire (au lieu de l'envoyer dans un refroidisseur tel qu'un aéroréfrigérant) en énergie électrique en cas de besoin, comme par exemple en été, où les besoins en chauffage sont réduits. Cette énergie électrique pourra avantageusement être utilisée pour le fonctionnement de climatiseurs. Selon l'invention, un des utilisateurs peut avoir besoin d'un niveau thermique supérieur au niveau de température de la boucle chaude (par exemple besoin d'un niveau thermique de 120°C pour de la cuisson industrielle agroalimentaire avec une boucle maintenue à une température proche de 70°C) : dans ce cas, l'utilisateur peut installer une pompe à chaleur d'appoint qui permet de remonter la température moyennant une consommation d'électricité d'appoint. Selon l'invention, le fluide caloporteur peut contenir des particules solides encapsulant un matériau à changement de phase (par exemple de l'acétate de sodium) et permettant d'accroître l'énergie restituable avec une faible variation de température. En effet, lorsqu'il y a changement de phase (état) d'un corps pur, il y a variation du contenu énergétique (enthalpie) sans variation de température. L'exemple bien connu est celui de l'eau qui passe de l'état solide à l'état liquide à 0°C à pression atmosphérique, mais dans notre cas le changement de phase est souhaité à une température typiquement entre 50 et 100°C. Ledit matériau à changement de phase est préférentiellement choisi parmi les composés ci-dessous, pour lesquels la température de fusion est mentionnée entre parenthèses : L'acétate de sodium tri-hydraté (58°C), le chlorure de zinc partiellement hydraté = (76°C). Quelques exemples de liquides ioniques avec un point de fusion dans cette gamme: 1-butyl-3-methylimidazolium tosylate: mp = (67°C) 1-éthyl-3-méthylimidazolium hexafluorophosphate: mp = (59°C) 1-buty1-1-méthylpyrrolidinium hexafluorophosphate: mp = (85 °C) 1-butyl-3-méthylimidazolium chloride: mp= (73 °C) 1-ethyl-3-méthylimidazoliul chloride: mp = (77-79°C) La figure 5 représente la canalisation (Can) de la boucle chimique transportant le fluide caloporteur F avec les capsules transportées contenant le matériau à changement de phase (phase liquide (L) ; phase solide (S)). L'enveloppe E encapsulant le matériau à changement de phase peut être en plastique tel que du polyéthylène ou du polypropylène. REVENDICATIONS1. Méthode de mutualisation de chaleur à l'échelle du territoire dans laquelle on met en oeuvre une boucle d'échange thermique reliant au moins un site consommateur d'énergie thermique et au moins un site producteur d'énergie thermique, ladite boucle comprenant un fluide caloporteur dont le débit est ajusté de manière à ce qu'en tout point de la boucle les écarts de température soient inférieurs à 20°C, le ou lesdit(s) site(s) consommateur(s) prenant en un point de la boucle l'énergie nécessaire par échange thermique et le ou lesdit(s) site(s) producteur(s) rejetant par échange thermique l'énergie produite en excédent. 2. Méthode de mutualisation de chaleur selon la revendication 1 dans laquelle la température de la boucle est maintenue constante au moyen d'une chaufferie d'appoint.3. 4. 5. 6. Méthode de mutualisation de chaleur selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle on met en oeuvre un stockage tampon de chaleur de type thermobatterie pour stocker au sein de la boucle de l'énergie thermique excédentaire. Méthode de mutualisation de chaleur selon la revendication 1 à 3 dans laquelle on introduit dans la boucle un Cycle organique de Rankin pour valoriser sous forme électrique de l'énergie thermique excédentaire. Méthode de mutualisation de chaleur selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide caloporteur est choisi parmi l'eau, les mélanges aqueux, les alcools, les hydrocarbures ou les liquides ioniques. Méthode de mutualisation de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le fluide caloporteur comprend des particules de matériau à changement de phase.7. Système de mutualisation de chaleur à l'échelle du territoire comprenant : - au moins un site consommateur d'énergie thermique ; - au moins un site producteur d'énergie thermique ; - une boucle d'échange thermique qui relie entre eux lesdits sites consommateurs d'énergie thermique et lesdits sites producteurs d'énergie thermique, et qui comprend des échangeurs thermiques et un fluide caloporteur dont le débit est ajusté au moyen d'une pompe. 8. Système de mutualisation de chaleur à l'échelle du territoire selon la revendication 7 dans lequel la boucle comprend une chaufferie d'appoint.