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Les briques technologiques / Opérations unitaires

Les opérations unitaires

Pour éviter toute ambiguïté, attardons-nous sur quelques éléments de sémantique: une opération unitaire est un bloc ayant une fonctionnalité prédéterminée qui peut regrouper différentes briques technologiques. Ainsi, la distillation est une opération unitaire qui utilise des contacteurs gaz-liquide, des échangeurs de chaleur, des pompes….

De par cette définition, le concept touche à de nombreuses familles d’équipement et, à ce stade, nous n’en retiendrons que quelques-unes:

Des progrès méthodologiques ouvrent la voie à des schémas plus performants sans pour autant tendre vers des solutions exotiques telles que la distillation centrifuge. Une autre voie de progrès touche les contacteurs gaz/liquide. Bien que les garnissages rangés aient d’ores et déjà atteint des niveaux de performance remarquables, des progrès semblent possibles grâce à la fabrication additive qui permettrait une plus fine adéquation entre la structure du garnissage et les caractéristiques locales des flux vapeur et liquide.

 
Exemple de sujet potentiel:

  • Quantification du marché de la technologie DWD (Divided Wall Technology) et identification des contraintes en termes de flexibilité.

La conception des échanges thermiques est certainement bien maîtrisée; des évolutions techniques telles que l’utilisation de la compression de vapeur permettent dans certains cas où les problématiques technologiques ont été résolues d’atteindre de bonnes performances.

Néanmoins, des progrès sont encore envisageables:

  • en accédant à une meilleure modélisation du couplage thermique, aéraulique et comportement matière,
  • en intégrant les réactions chimiques qui concernent beaucoup d’applications
  • en couplant les technologies d’apport d’énergie (chaleur, énergies radiantes…)

 
Exemple de sujet potentiel:

  • Modélisation fine d’une technologie de séchoir dans laquelle la matière subit une transformation physico-chimique.

La technologie membranaire n’est pas en soi un procédé de séparation; il est plus un procédé de concentration qui a trouvé des applications importantes dans certains domaines:

  • Désalinisation de l’eau par osmose inverse
  • Concentration du lactosérum
  • Séparation de l’hydrogène

De fait, cette technologie se développe au travers de trois principes (l’osmose inverse, l’ultrafiltration qui présuppose des écarts sur les dimensions des molécules à séparer très importantes, la pervaporation qui utilise une solution retenue dans les pores et impose des différences d’affinité importantes avec le solvant pour les molécules à .séparer).

Les domaines d’application se révélant très spécifiques, il est difficile a priori de proposer un programme transverse ex-nihilo. Le programme sera établi en collaboration avec les adhérents.

Dans la plupart des sites industriels, l’enjeu de la distribution d’énergie se situe au niveau de la chaleur.

La technologie la plus répandue consiste à utiliser des réseaux vapeur pour distribuer l’énergie. Des outils existent déjà pour optimiser de tels réseaux et adapter leurs fonctionnements aux conditions externes ou internes au site. D’autres vecteurs existent : huile chaude, eau pressurisée…. La problématique de base est de sélectionner le meilleur système en fonction de la structure du site.

 
Exemple de sujet potentiel:

  • Elaboration d’un guide définissant le meilleur vecteur énergétique en fonction de la typologie des usages.

La maîtrise des ambiances de fabrication présente des enjeux importants pour répondre aux exigences de qualité des produits toujours plus fortes (propreté, hygiène, stabilité dimensionnelle, …), garantir la fiabilité d'exploitation des installations (grand chaud, et grand froid, poussières, …) et assurer le confort et bien être des salariés.

La bonne maîtrise de l'ambiance nécessite de prendre en compte des spécificités fortes liées en particulier au type de pollution, à la configuration des locaux, aux caractéristiques des lignes de production, ...

Si les composants et équipements assurant l'ambiance sont dorénavant bien maîtrisés, il n'en demeure pas moins que des gisements énergétiques significatifs sont attachés à cette opération élémentaire. On peut citer en particulier :

  • La gestion des ambiances dans une approche systémique, ce qui nous renvoie au paragraphe 1
  • La mise en œuvre d'une ambiance localisée et maîtrisée au niveau du poste de fabrication

 
Exemple de sujet potentiel:

  • Etat de l'art des besoins et solutions disponibles pour assurer une ambiance aseptique localisée au niveau du poste de fabrication.

Sont regroupées sous cette rubrique les pompes à chaleur à compression, celles à absorption que ce soit pour produire de la chaleur réutilisable dans le site ou la production de froid nécessaire au fonctionnement du procédé ou offrant une opportunité pour les optimiser.

Rappelons toutefois que la fonction prépondérante en termes de performances et de rentabilité est l’échange de chaleur. Trouver des solutions techniques assurant ces transferts avec un pincement faible et à des coûts minimaux est fondamental.

L’autre problématique concerne la recherche de fluides de travail performants tant d’un point de vue thermodynamique que d’un point de vue gamme de températures:

  • les pompes à chaleur à compression sont limitées actuellement à des températures de 120/130°C: beaucoup d’applications industrielles demanderaient sensiblement plus.
  • Les pompes à chaleur à absorption sont limitées dans le domaine du froid par les contraintes liées à l’ammoniac. De nouveaux fluides ne présentant pas les mêmes caractéristiques toxicologiques élargiraient le potentiel d’application.

Sont regroupées sous cette rubrique les machines thermodynamiques capables de transformer les flux de chaleur disponibles en énergie mécanique : citons sans être exhaustif des cycles de Rankine, de Stirling, la thermoélectricité…

Ces technologies ne présentent pas dans le contexte économique français des rentabilités motivantes. Quelles seraient les possibilités pour leur trouver des marchés potentiels :

  • Là encore, la rentabilité de ces machines est principalement guidée par le coût et les performances des échangeurs de chaleur. Développer des solutions techniques assurant ces transferts avec un pincement faible et à des coûts minimaux est fondamental.
  • Identifier des conditions d’insertion créant les leviers nécessaires pour assurer une meilleure rentabilité (équipements autonomes…)
  • Un autre domaine plus prospectif concerne l’utilisation de mélanges de fluides ou de mélanges réactifs pour accroître les performances des machines. La technologie des mélanges de fluides a été étudiée abondamment pour les pompes à chaleur, sensiblement moins pour les cycles de type ORC (en dehors du cycle Kalina) ; quant à l’utilisation de mélanges réactifs, cette technologie semble moins connue.

 
Exemple de sujet potentiel:

  • Identification de mélanges de fluides réactifs et mesure de l’impact sur les performances des cycles thermodynamiques.

Les briques technologiques

La notion de briques technologiques concerne de nombreux équipements employés usuellement dans l’industrie : turbines, moteurs thermiques, pompes, compresseurs, échangeurs de chaleur, fours, chaudières….

Dans le cadre de cette note préliminaire, nous nous focaliserons sur deux briques technologiques :

La technologie des échangeurs de chaleur est un domaine dans lequel de nombreuses études et de nombreux développements ont déjà été effectués. Malgré cette maturité, des axes de progrès existent :

  • Développement de> méthodes de calcul plus précises en particulier pour les fluides multiphasiques ou à changement de phase. Meilleure maîtrise des phénomènes thermomécaniques
  • Échange de chaleur avec des solides ou des pulvérulents
  • Utilisation de nouveaux matériaux pour abaisser coûts et encombrement de manière à réduire les problèmes d’insertion.
  • Utilisation de la fabrication additive pour lever la contrainte des techniques de fabrication et explorer de nouvelles géométries.

Etant donné le champ immense de prospection, cette thématique devrait être un point fort et récurrent de l’activité de ce centre.

 
Exemples de sujets potentiels:

  • Fabrication additive : recensement des fournisseurs utilisant déjà la fabrication additive et analyse des innovations liées à cette technologie.
  • Modélisation : état de l’art sur les moyens d’optimisation de la conception d’ échangeurs de chaleur en couplant des logiciels de thermo-hydraulique et d’optimisation mathématique.
  • Développement de logiciels de calcul simplifié appliqués aux problèmes thermiques.

Bien que mature, cette technologie est en constante évolution en raison des exigences environnementales de plus en plus fortes, de la recherche de flexibilité et aussi de l'amélioration de son intégration dans des composants du procédé.

Les projets éventuels seront définis en fonction des besoins des membres associés à la structure.

Le stockage de l’énergie est une problématique centrale tant pour la gestion de la chaleur que celle de l’électricité.

Le premier item concerne plus, a priori, les industries fonctionnant en batch. Pour ce type d’application, les technologies basse-température sont disponibles mais, en général, peu rentables en l’absence d’autres leviers. L’enjeu est de trouver pour le stockage de chaleur des solutions moins chères et permettant d’accéder à des hautes températures.

Le second concerne a priori tout type d’industrie dans le cadre de projets d’intégration d’énergies renouvelables ou de recherche de solutions de flexibilité. L’offre technologique de stockage électrique est assez abondante mais le plus généralement, elle ne couvre pas en termes d’énergie ou de puissance les exigences du secteur industriel.

Cet axe est prioritaire pour anticiper les contraintes du monde industriel et apporter une vision prospective sur la faisabilité technique.

 
Exemple de sujet potentiel:

  • Stockage de l’énergie électrique ; analyse de l’offre en flow-battery et caractérisation des performances énergétiques et économiques.

Les autres briques technologiques restent dans le scope du centre pour la promotion de l’efficacité énergétique dans l’industrie. A ce stade, nous ne les mettons pas en priorité dans notre analyse, position que pourront mettre en cause les adhérents.