Modélisation et optimisation exergétique des réseaux thermiques basse température - Université Savoie Mont Blanc Access content directly
Theses Year : 2022

Exergy modeling and optimization of low temperature thermal networks

Modélisation et optimisation exergétique des réseaux thermiques basse température

Yolaine Adihou
  • Function : Author
  • PersonId : 1362562
  • IdRef : 266981690

Abstract

The evolution of thermal networks towards low temperatures is motivated by the reduction of heat losses, the promotion of low-temperature Renewable and Recoverable Energy sources and the improvement of centralized generation units' efficiency.However, the temperature of the network must be adapted to the thermal needs of the district. Designing the different technologies requires a systemic modelling approach to support industrials in integrating more renewable energies and to improve the performance of their networks.Exergy (thermodynamically, the maximum work that can be extracted from a quantity of energy in relation to a reference environment) is used to define the quality of energy and to analyse the performances of energy systems on a common basis. Therefore, the canton of Geneva has defined exergy efficiency as a criterion for the rational use of energy in its law.However, besides the abstraction of the concept, its interest is sometimes difficult to perceive for industries because exergy analysis enables to locate the losses without explicitly explaining their origin. It limits the decision-making process for acting on inefficient components. Furthermore, exergy is rarely used as the unique criterion for designing network components.The thesis aims to develop an exergy-based methodology, adapted to the industry, for modelling and optimising low-temperature thermal networks.Generic and explicit formulations are developed to simplify the calculation of exergy losses generated by the network components. These formulations are expressed as a function of the design and operating parameters on which the engineer can act.They are integrated into the ADVENS software which simulates the thermal-hydraulic behaviour of thermal networks.Finally, an exergy-based optimisation process is implemented to determine the network optimal temperature level and configurations (energy-mix, generation units, substations).To assess and validate the methodology, two industrial partners are involved: Groupe E SA in Switzerland and SCDC ENGIE Solutions in France. As part of the Smart Living Lab, the Thermal & Energy Laboratory (LTE) is studying with Groupe E SA an original concept of low/medium temperature thermal networks, which operate with a control unit to integrate and manage different renewable energy sources (solar thermal, geothermal, etc.).Based on exergy, the decision support tool should provide recommendations to Groupe E SA for the optimal design of the blueFACTORY district thermal network.Finally, the Building Energy Processes Laboratory (LOCIE) is studying with SCDC ENGIE Solutions a thermal network concept providing both heating and cooling simultaneously. The decision support tool must demonstrate the viability of the concept for La Cassine's district, based on exergy.This thesis is a collaboration between the Thermal & Energy Laboratory (LTE) of the School of Engineering and Architecture of Fribourg and the Building Energy Processes Laboratory (LOCIE) of the University of Savoie Mont Blanc.
L'évolution des réseaux thermiques vers les basses températures se justifie par l'objectif de réduction des pertes thermiques, la valorisation de sources d'Énergies Renouvelables et de Récupération (EnR&R) basse température et l'amélioration des unités de production de chaleur centralisées. Toutefois, la température de ces réseaux doit être en adéquation avec les besoins thermiques du territoire. Le dimensionnement de ces différentes technologies nécessite alors une approche systémique de modélisation et de simulation afin d'accompagner les industriels dans l'intégration d'énergies renouvelables et dans l'amélioration des performances de leurs réseaux.L'exergie (soit le travail maximal, au sens thermodynamique, qu'il est possible d'extraire d'une quantité d'énergie par rapport à un environnement de référence) permet de définir la qualité de l'énergie et d'analyser sur une base commune les performances des systèmes énergétiques. Ainsi, le canton de Genève a défini le rendement exergétique comme critère pour l'utilisation rationnelle de l'énergie dans sa loi. Cependant, outre l'abstraction de la notion, son intérêt est parfois difficilement perceptible pour les industriels car l'analyse exergétique permet de localiser les pertes sans pour autant expliciter leur origine. Cela limite la prise de décision pour agir sur les composants inefficaces. Par ailleurs, l'exergie est rarement utilisée comme critère unique de dimensionnement des composants du réseau.La thèse vise à développer une méthodologie de modélisation et d'optimisation exergétique des réseaux thermiques basse température en accord avec les réalités industrielles. Pour ce faire, des formulations génériques et explicites sont développées pour simplifier le calcul des pertes exergétiques générées par les composants du réseau. Ces formulations tiennent compte des paramètres de design et d'opération sur lesquels l'industriel peut agir. Elles sont intégrées dans le logiciel ADVENS qui simule le comportement thermo-hydraulique des réseaux thermiques. Enfin, un processus d'optimisation exergétique du niveau de température est implémenté pour déterminer les configurations optimales d'opération des unités de production centralisées et/ou décentralisées.Pour appliquer et valider la méthodologie, deux partenaires industriels sont sollicités : Groupe E SA et SCDC ENGIE Solutions. En effet, le Laboratoire Thermique et Énergétique (LTE) étudie, dans le cadre du Smart Living Lab, un concept original de réseaux thermiques à basse/moyenne température, qui fonctionne avec une centrale de régulation capable d'intégrer et de gérer différentes sources d'énergies renouvelables (solaire thermique, géothermie…). L'outil d'aide à la décision doit fournir des recommandations au partenaire industriel Groupe E SA quant à la conception optimale du réseau thermique basse température du quartier blueFACTORY (Fribourg, Suisse), sur la base exergétique.Enfin, le Laboratoire procédés énergie bâtiments (LOCIE) étudie un concept de réseaux thermiques avec une production simultanée de chaud et de froid en partenariat avec l'industriel SCDC ENGIE Solutions. L'outil d'aide à la décision doit démontrer de la viabilité exergétique du concept pour le quartier de La Cassine (Chambéry, France).Cette thèse est réalisée dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire Thermique et Énergétique (LTE) de la Haute école d'ingénierie et d'architecture de Fribourg et le Laboratoire procédés énergie bâtiments (LOCIE) de l'Université Savoie Mont-Blanc.
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tel-04500298 , version 1 (11-03-2024)

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  • HAL Id : tel-04500298 , version 1

Cite

Yolaine Adihou. Modélisation et optimisation exergétique des réseaux thermiques basse température. Génie des procédés. Université Savoie Mont Blanc, 2022. Français. ⟨NNT : 2022CHAMA029⟩. ⟨tel-04500298⟩
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