Analyses énergétiques, exergétiques, économiques et environnementales de systèmes de valorisation de chaleur à basse température

Abstract

Ce travail s'inscrit dans l'effort d'optimiser l'utilisation des ressources énergétiques en valorisant des rejets thermiques industriels à basse température tels que ceux trouvés dans les alumineries québécoises. Deux systèmes de valorisation de chaleur sont détaillés et analysés. Le premier système est constitué de deux échangeurs de chaleur, l'un situé à la source de chaleur et l'autre à la charge, et d'une boucle intermédiaire dans laquelle circule un fluide caloporteur chargé de transférer la chaleur d'un site à l'autre. Le deuxième système est constitué d'un cycle de Rankine organique (ORC), qui produit de l'électricité, et d'une pompe à chaleur (PAC), qui consomme de l'électricité et produit de la chaleur. La question fondamentale à laquelle ce travail essaie de répondre est: Quel est le meilleur système ? Quatre critères ont été utilisés pour répondre à cette question: 1) le rendement énergétique, 2) le rendement exergétique, 3) l'attrait économique et 4) l'impact sur l'environnement. Concernant le rendement énergétique, le système 1 est plus attrayant avec un rendement de 70% contre 21% pour le système 2. Concernant le rendement exergétique, le système 1 est également plus attrayant avec 30% contre 9% pour le système 2. Le système 1 semble légèrement plus intéressant que le système 2 pour l'attrait économique avec un coût d'investissement plus faible se traduisant pour un taux de rendement interne (TRI) sur 15 ans de 10.9% contre 7.5%. L'analyse économique est toutefois sensible aux hypothèses émises, qui peuvent varier grandement d'un site à l'autre. L'analyse du cycle de vie démontre de manière non équivoque que le système 1 est plus dommageable pour l'environnement, notamment en raison de la quantité de béton nécessaire à sa construction. Ce travail contient deux articles de conférence et un article de journal (soumis, mais non accepté à la date de dépôt de ce mémoire). L'analyse à l'aide de nombres sans dimension du système 1 permet d'identifier les variables non-dimensionnelles qui ont le plus d'influence sur les indices de performance de ce système. La méthode des moindres carrés est utilisée pour développer des corrélations entre chacun des indicateurs de performance et les variables non-dimensionnelles, et l'application de ces corrélations pour la conception d'un tel système est démontrée par un exemple qui utilise un algorithme génétique qui détermine les conditions maximisant l'efficacité exergétique.