rapport pfe master2enr gosse maxime stagesucrivoire
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MEMOIRE POUR LOBTENTION DU MASTER DINGENIERIE DE LEAU ET DE
LENVIRONNEMENT
OPTION : ENERGIE et GENIE DES PROCEDES INDUSTRIELS
Prsent et soutenu publiquement le 18 juin 2011 par
GOSSE Maxime junior
Travaux dirigs par : Pr. COULIBALY Yezouma, Chef UTER-GEI-Fondation 2IE
M. KOUAME Dsir, Chef Service production nergie-SUCRIVOIRE
Jury dvaluation du stage :
Prsident : Pr. COULIBALY Yezouma
Membres et correcteurs:
M. Francis SEMPORE
M. Henri KOTTIN
Promotion [2010/2011]
AUDIT ENERGETIQUE DE LA SUCRERIE
DE LUNITE AGRICOLE INTEGREE DE
ZUENOULA (PRODUCTION ET
TRANSFORMATION DENERGIE)
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Audit nergtique de la sucrerie de lunit agricole intgre de ZUENOULA (Production et Transformation dnergie) 2011
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DEDICACES
Je ddie ce mmoire
A Dieu tout puissant pour toutes ses merveilles
A mes parents :
Mon pre GOSSE Bahi Jean et ma mre BOBI Brigitte, pour
lencadrement et toute lattention dont jai pu bnficier de leur part.
A tous mes frres & surs.
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REMERCIEMENTS
Nous tenons au terme de notre formation de Master dingnierie option
nergie prouver notre gratitude tous ceux qui, de prs ou de loin ont
contribu cette formation.
Pour ce faire, nous saisissons lopportunit que nous offre la rdaction du
prsent mmoire pour adresser du fond du cur toute notre reconnaissance aux
responsables de lUTER GEI, et tout le corps professoral de la Fondation
2IE.
En loccurrence au Pr. COULIBALY Yezouma, pour son encadrement tout au
long de ce mmoire, au Dr AZOUMAH Yao et au Dr PABYAM Sido.
Nous remercions galement :
M. AKPAGNI, Directeur de lUnit Agricole Intgre de Zuenoula
M. OUATTARA EHOURAN, directeur de lUsine, pour nous avoir accepts
au sein de son dpartement pour ce stage.
M.KOUAME Dsir, notre maitre de stage, pour sa relle sympathie et pour ses
conseils fructueux
M. Antoine BAYILI, pour son aide inestimable dans la ralisation de ce
mmoire et pour ses ides claires
M.KRA, pour sa participation dans la synthse des ides
MM. SORHO, KONE, pour toute la disponibilit dont ils ont fait preuve
notre gard dans lentreprise.
Je ne saurais terminer sans mentionner tout le personnel de lusine et mes amis
de classe
Que le tout puissant les en rtribue !
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RESUME
La production dnergie reste au cur de toutes les proccupations dans les industries
sucrires en Afrique. Particulirement en Cote divoire, lindustrie sucrire se trouve
confronte plusieurs problmes lis la faible efficacit nergtique des procds, la
maitrise de lnergie dans lusine et la valorisation des dchets industriels. Le prsent rapport,
traitant du Audit nergtique de la sucrerie de lunit agricole intgre de ZUENOULA
(Production et Transformation dnergie) prsente le bilan nergtique de toutes les
installations de lusine (allant de la bagasse jusqu llectricit), des solutions techniques
pour optimiser la production dnergie (chaleur et lectricit), ainsi que des voies dconomie
dnergie dans les procds, et de valorisation de la mlasse.
Ce travail men au sein de lusine de SUCRIVOIRE-ZUENOULA nous a permis de
quantifier les pertes thermiques au niveau des chaudires et au niveau des turbines. Ensuite,
nous avons propos des solutions techniques en vue doptimiser la production de vapeur et la
production dlectricit, ainsi que des mesures dconomies dnergie au niveau de la
chaufferie. Pour finir, nous avons propos la valorisation en biogaz et lectricit de la mlasse
rsiduelle issue du procd de fabrication du sucre.
Mots Cls:
1 Efficacit nergtique
2 - mlasse
3 - Bagasse
4 - Biogaz
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ABSTRACT
Energy generation stays in the heart of materials cares in African sugar industries.
Particularly, in Ivory Coast, sugar industry is confronted with several problems due to low
energy efficacy of process, the control of energy in the factory and valorization of industrial
waste. This report about Energizing audit of sugar refinery of Zuenoulas agricultural
integrated unit (Production and energy processing) , presents the energizing balance of all
of factorys installation (from bagass to electricity generation), technical solutions in order to
optimize energy production (heat and electricity), and ways to make energy saving in the
process and valorization of treacle.
This work, done in Zuenoulas factory-SUCRIVOIRE allows us to quantify thermal loss in
boiler and turbines. Afterwards, we proposed technical solutions in order to optimize steam
and electricity production, thus measures for energy saving of boiler room. Finally, we
proposed the valorization of treacle in biogas and electricity.
Key words:
1 Energy efficacy
2 - Treacle
3 - Bagass
4 - Biogas
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LISTE DES ABREVIATIONS
CO2 : Dioxyde de carbone
DPE : Diagnostic des Performances Energtiques
GES : Gaz effet de Serre
H2O : eau
Kcal : Kilocalorie
Kg : Kilogramme
KW: Kilowatt
KWh: Kilowatt heure
MDP : Mcanisme pour le Dveloppement Propre
MJ : Mgajoules
MW : Mgawatt
N2 : Azote
Nm3 : Normal mtre cube
O2 : Oxygne
PCI : Pouvoir Calorifique Infrieur
TCO2e : Tonne quivalent Carbone
Tfh : Tonne Fibre heure
TRI : Temps de Retour sur Investissement
UAI : Unit Agricole Intgre
VA : Pouvoir comburivore en combustion avec excs dair
VA : Pouvoir comburivore en combustion stchiomtrique
VF : Pouvoir fumigne sec
VFH : Pouvoir fumigne humide
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SOMMAIRE
DEDICACES.......................................................................................................................................... ii
REMERCIEMENTS ............................................................................................................................... iii
RESUME .......................................................................................................................................... iv
ABSTRACT ........................................................................................................................................... v
LISTE DES ABREVIATIONS .......................................................................................................... vi
LISTE DES TABLEAUX ...................................................................................................................2
LISTE DES FIGURES........................................................................................................................3
I- INTRODUCTION GENERALE ..............................................................................................4
II- OBJECTIFS DU TRAVAIL .................................................................................................8
III- MATERIELS ET METHODES ...........................................................................................9
IV- RESULTATS ....................................................................................................................... 13
V- DISCUSSIONS ET ANALYSES ......................................................................................... 35
VI- RECOMMANDATIONS .................................................................................................... 39
VII- CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES.............................................................................. 40
VIII- BIBLIOGRAPHIE .......................................................................................................... 41
IX- ANNEXES ........................................................................................................................... 43
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LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : Rcapitulatif du tonnage de cannes broyes et bagasse produite
Tableau 2 : Elments caractristique de la combustion
Tableau 3 : Composition lmentaire des fumes de combustion
Tableau 5 : Calculs des Puissances thermiques mises en jeu lors de la combustion
Tableau 4 : enthalpies de la vapeur deau et dbits massiques
Tableau 5 : Calculs des Puissances thermiques mises en jeu lors de la combustion
Tableau 6 : Calculs des pertes de charges
Tableau 7 : Tableau des enthalpies des points du cycle de Hirn avec la turbine SIEMENS
Tableau 8 : Tableau des enthalpies des points du cycle de Hirn avec la turbine ACEC
Tableau 9 : Etude conomique de linstallation du shredder
Tableau 10 : Etude conomique de la rhabilitation des lments mcaniques des turbines
Tableau 11: Etude technico-conomique des deux solutions combines: installation shredder
et rhabilitation turbines
Tableau 12 : Mesures dconomies dnergies
Tableau 13: Etude technico-conomique de la valorisation en biogaz et lectricit de la
mlasse
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LISTE DES FIGURES
Figure 1 Organigramme de lUAI de Zuenoula
Figure 2: Organisation du mmoire
Figure 3 : bilan massique du ballon de stockage de vapeur surchauffe
Figure 4 : Bilans matires des turboalternateurs
Figure 5 : Bilan nergtique global par tonne de canne broye
Figure 6 : Cycle de Hirn avec turbine SIEMENS
Figure 7 : Cycle de Hirn avec turbine ACEC
Figure 8 : bilan massique pour installation dun shredder
Figure 9 : Pourcentage des pannes Usine
Figure 10 : rpartitions des consommations moyennes journalires
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I- INTRODUCTION GENERALE
I-1- Contexte
Les crises successives de lnergie depuis 1973 ont fait natre une notion peu connue jusque l
dans le comportement du consommateur dnergie. Cest la notion dconomie dnergie. Il y
a quelques dcennies, personne ne se souciait de lutilisation efficace de lnergie dans les
activits industrielles [2]
.
Particulirement dans lindustrie sucrire, ce phnomne est dautant plus important que ces
industriels valorisent la bagasse de canne sucre pour produire de lnergie thermique et
lectrique. Cette nergie est produite partir dun cycle vapeur deau.
Pendant le processus de production dnergie, il ya dnormes pertes thermiques (dans les
canalisations et les procds), qui diminuent les performances nergtiques de lentreprise.
Face cette situation, un bilan nergtique devient incontournable. Ainsi, pour optimiser les
consommations nergtiques de lusine, il serait bnfique dimplmenter les nergies
renouvelables dans les procds [6]
.
I-2- Prsentation de la structure daccueil
Notre stage, pour ce mmoire de fin dtudes, sest droul au sein de SUCRIVOIRE,
lusine de lunit agricole intgre de Zuenoula, plus particulirement au service production
nergie.
SUCRIVOIRE, filiale du groupe SIFCA est une socit base Abidjan. Elle compte deux
complexes agroindustriels Borotou et Zuenoula. Elle a fait son entre dans le Groupe SIFCA
en 1997, suite la privatisation de lex socit dEtat SODESUCRE.
SUCRIVOIRE possde 11 000 hectares de plantations industrielles de canne sucre et 2
units industrielles de production de sucre de canne dune capacit nominale de 100 000
T/An.
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SUCRIVOIRE dveloppe des activits dans lexploitation de plantations de canne sucre,
production et commercialisation de sucre de canne. SUCRIVOIRE aimerait valoriser de
manire efficace la bagasse de canne sucre dans la perspective de rduire les missions de
gaz effet de serre et de gnrer des crdits carbones et initier des projets MDP.
Lquipe dynamique de lusine de lUAI de Zuenoula, est compose ce jour de plusieurs
membres ; reprsents dans le diagramme ci-dessous.
Figure 1 Organigramme de lUAI de Zuenoula
Direction du complexe
Direction
maintenance
Direction Matriel
Service production
nergie
Service
Fabrication
Service entretien
Direction Usine
Service lectricit et
rgulation
Service
Labo
Direction Plantation
Direction Gnrale
Direction Technique
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I-3- Problmatique
SUCRIVOIRE a pour objectif de rentabiliser efficacement ses consommations nergtiques.
Cependant, cette entreprise est confronte certains problmes de maitrise dnergie, qui
influencent normment sur son taux dindpendance nergtique vis--vis de la CIE.
Cest dans ce cadre que les responsables du service production nergie de lUAI de Zuenoula,
ont opt pour une tude approfondie sur les consommations nergtiques dans les procds de
production dnergie et pour une proposition de solutions exploitables quant lintroduction
des nergies renouvelables dans les procds.
Ainsi, le travail soumis notre apprciation consiste :
- Effectuer le Bilan nergtique complet, valuer les pertes thermiques et les pertes de
charges des rseaux de fluide de lusine.
- Proposer des solutions pour optimiser les consommations nergtiques dans les
procds (chaufferie, production dlectricit)
- Evaluer le potentiel dconomies dnergies et proposer des solutions pour la
valorisation des rsidus industriels.
.
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I-4- Mthodologie de travail
Pour mener bien ce travail, le document sera prsent en quatre parties dont le schma
suivant en fait la description :
Figure 2: Organisation du mmoire
Objectifs du Travail
Matriels et Mthodes
Rsultats
Discussions et Analyses
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II- OBJECTIFS DU TRAVAIL
La dmarche scientifique mise en place a pour objectif dvaluer le bilan nergtique de
toutes les installations de lusine de lunit agricole intgre de Zuenoula, et proposer des
solutions exploitables moyen terme pour loptimisation des consommations nergtiques
dans les procds.
C'est--dire de :
Faire le Bilan nergtique des installations de lusine (Depuis la bagasse jusqu
llectricit).
Proposer des solutions en vue doptimiser la capacit de production en vapeur et en
lectricit.
Evaluer le potentiel dconomies dnergies dans les procds et proposer des mesures
dconomies dnergies.
Valoriser lutilisation des nergies renouvelables telles que les rsidus industriels
(mlasse), dans les procds (production de chaleur et lectricit).
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III- MATERIELS ET METHODES
A. Systme dinformation et tudes nergtiques
Lensemble des informations utilises pour notre tude seront prises dans les bulletins de suivi
des consommations et productions dnergies. Les valeurs prises seront obtenues partir
dune moyenne des consommations et des productions dnergie durant la campagne de
lanne 2010-2011. Notons que, notre tude portera sur la chaine de production dnergie de
lusine (de la bagasse llectricit).
1) Bilan nergtique des installations (de la bagasse llectricit)
Cette partie de notre tude vise tablir le bilan des consommations nergtiques, allant de la
bagasse jusqu la production dlectricit.
Les points suivants constitueront le bilan nergtique :
a) Le broyage
Au niveau de lunit de broyage, nos investigations auprs du service production nergie, ont
permis de raliser le tableau 1 donnant le tonnage moyen de cannes broyes pour la campagne
2010-2011. Nous avons pris comme rfrence le mois de Fvrier 2011. Notons que, le
compartiment broyage est compos des sous units suivantes :
Coupe canne
Moulins
b) La combustion
Les chaudires
c) Le stockage de la vapeur surchauffe
Le ballon de stockage (Barrilet)
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d) La production dlectricit
Les turbines
Les alternateurs
La synthse du bilan nergtique sera prsente sous forme de schma synoptique
(allant de la bagasse la production dlectricit)
2) Etude de remise niveau des rseaux de vapeur
Cette partie de notre tude consiste en une tude approfondie sur le rseau de vapeur.
Lobjectif de cette partie sera dvaluer les pertes dans le rseau de vapeur, puis de proposer
des solutions de rduction de ces pertes, ainsi que des propositions damlioration des
productions de vapeur et dlectricit.
a) Evaluation des pertes de charges
Cette partie de notre tude consistera valuer lensemble des pertes de charges linaires et
singulires du rseau de vapeur, ce laide de la mthode de calcul de COLEBROOK [10]
(voir Annexe 2).
b) Evaluation des pertes dnergies
Dans cette section, nous dterminerons les pertes dnergies au niveau des diffrents postes
du cycle thermodynamique de la vapeur deau notamment au niveau des turbines. Cette
dtermination se fera partir du trac et de lanalyse du cycle thermodynamique de Hirn.
c) Optimisation de la production de vapeur
Dans un second temps, nous proposons une solution technique pour amliorer le systme de
broyage des cannes, en vue doptimiser la production de vapeur, lindice de prparation de la
bagasse et la combustion dans la chaudire.
d) Optimisation de la production dlectricit
Dans un troisime temps, nous exposerons une solution technique pour amliorer la capacit
de production dlectricit des turboalternateurs, puis une solution combine (optimisation
vapeur et lectricit).
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3) Diagnostic des performances nergtiques (DPE)
Dans cette partie, nous effectuerons un pr-diagnostic des performances nergtiques. La
ralisation dun diagnostic nergtique des installations contribuera identifier les pistes
damlioration des systmes de production et de rduction des cots nergtiques, tout en
contribuant optimiser la production elle-mme.
Le DPE se fera selon les tapes suivantes [8]
:
- Etape 0 : Frquence des problmes rencontrs
- Etape 1 : Collecte des donnes, examen et plan des installations
- Etape 2 : Ralisation de campagnes de mesures
- Etape 3 : Hirarchisation des actions
Les rsultats du DPE seront consigns dans un tableau afin de mettre en relief les actions
entreprendre ainsi que les cots potentiels lis ces actions dconomies dnergies.
B. propositions de solutions en vue daccroitre lindpendance nergtique de
lusine
Le taux dindpendance nergtique de lusine est valu environ 85%, le reste (15%) de
lnergie produite, est fournie par la CIE. (Source Annexe 1)
Dans lobjectif de valoriser les nergies renouvelables dans les procds, et damliorer les
conomies dnergies, nous proposerons dans la suite de notre tude une solution co-
nergtique de production dnergie. Enfin, nous ferons une tude dimpact environnemental,
en vue de quantifier la quantit de CO2 conomise partir de cette source primaire
dnergie.
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a) Valorisation de la mlasse en biogaz
La part la plus importante dconomie dnergie vient de la maitrise du procd, lie
principalement au gisement dnergie valorisable au niveau des effluents liquides et solides de
lusine [8]. Cest dans cette optique que nous avons contact le service Laboratoire de lusine
pour obtenir les valeurs sur les quantits de mlasse obtenues en fin du processus de
fabrication du sucre.
Il ressort que la mlasse reprsente environ 4,12% du tonnage de cannes broyes.
Cest donc un gisement trs important pour raliser des conomies dnergies. En effet, Il est
obtenu environ 228 m3 de biogaz par tonne de matires fraiche de mlasse
[5].
Nous effectuerons une tude sur la quantit et les cots de production de biogaz, et de
valorisation de ce biogaz en lectricit, ce partir de la mlasse.
b) Etude dimpact environnemental
Cette section sera consacre ltude dimpact environnemental de la valorisation de la
mlasse. Quelle sont les quantits de CO2 squestres? Ce projet est-il ligible au MDP?
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IV- RESULTATS
A. Etudes nergtiques
1) Bilan nergtique des installations (de la bagasse llectricit)
a) Le broyage
Lunit de broyage se compose de deux sous units ; A savoir, les coupe-canne dont le rle
est de dfibrer la canne qui arrive des champs ; ensuite les moulins (au nombre de 5)
permettent de recueillir le jus de canne.
Les rsultats obtenus lors de nos investigations au niveau de lunit de broyage sont rsums
dans le tableau 1 ci-dessous :
Tableau 1 : Rcapitulatif du tonnage de cannes broyes et bagasse produite
Jour 1 Jour 2 Jour 3 Jour 4 Jour 5 Jour 6 Jour 7
Semaine 1
canne broyes* 3 363,00 1 731,00 0 1 336,00 3 962,00 4 150,00 4 046,00
bagasse produite* 1 152,00 551 0 436 1 263,00 1 460,00 1 430,00
Semaine 2
canne broyes* 4 056,00 4 373,00 3 705,00 2 806,00 3 915,00 3 752,00 3 422,00 bagasse produite* 1 427,00 1 548,00 1 222,00 904 1 341,00 1 215,00 1 147,00
Semaine 3
canne broyes* 3 959,00 3 350,00 2 187,00 0 3 401,00 3 460,00 2 040,00
bagasse produite* 1 283,00 1 132,00 737 0 1 110,00 1 152,00 641
Semaine 4
canne broyes* 3 615,00 3 030,00 3 660,00 3 421,00 3 304,00 3 640,00 2 043,00
bagasse produite* 1 131,00 933 1 139,00 1 081,00 1 061,00 1 200,00 658
Moyenne canne broye* 3297
Moyenne bagasse produite* 1091
NB : *les valeurs sont donnes en T/J
Nous obtenons une moyenne de canne broye denviron 3297 T/j, pour une capacit nominale
de 4000 T/j, soit un manque gagner de 703 T/J ;
b) La combustion
i-Calcul du PCI
Le PCI de la bagasse se calcule laide de la formule suivante :
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(Source : document constructeur CHAUDIERE DENAEYER)
Avec taux de sucre = 1% et % humidit = 50% ; On a : PCI = 1825 kcal/kg, soit PCI = 7,639
MJ/kg
ii- Caractristiques de la combustion
Nos calculs sont faits sur la base de la composition massique lmentaire (en %) de la
bagasse [9]
:
C : 53,1 H : 6,03 O : 38,7 N : 1,25 MM : 9,3
Les rsultats sont consigns dans le tableau2 ci-dessous :
Tableau 2 : Elments caractristique de la combustion
combustion stchiomtrique VA= 5,040081
Pouvoir comburivore VA (Nm3 air/kg combustible) 7,5601215
volume fumes humides en condition stchiomtrique VFH= 5,773981
Pouvoir fumigne humide VFH (Nm3 fumes / kg combustible) 8,2940215
volume fumes sches en condition stchiomtrique VF= 4,983301
Pouvoir fumigne sec VF (Nm3 fumes /kg combustible) 7,5033415
Volume H2O dans fumes (Nm3 eau/ kg combustible) 0,79068
Volume oxygne dans les fumes VO2 (Nm3 O2/kg combustible)= 0,529208505
Volume CO2 dans les fumes VCO2 (Nm3 CO2/kg combustible)= 0,99297
Volume N2 dans les fumes VN2 (Nm3 N2/kg combustible)= 5,981162995
Pour une meilleure interprtation du tableau prcdent, nous valuons la composition
lmentaire des fumes de combustion. (Voir Tableau 3 ci-dessous)
Tableau 3 : Composition lmentaire des fumes de combustion
% CO2 = 13,2337039
% H2O = 10,5377051
% O2 = 7,0529711
% N2 = 79,713325
total = 110,53
iii-Calculs des puissances mises en jeu
Pour lvaluation des puissances, nous faisons les hypothses suivantes :
PCI= 4250 - 4850*%humidit - 12*taux sucre
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Tair = 28 ; Tentre combustible =28 ; excs dair = 50 %
De plus, nous avons utilis des valeurs denthalpies et dbits massiques, mesures sur le
terrain. (Voir tableau 4)
Tableau 4 : enthalpies de la vapeur deau et dbits massiques
enthalpies relles
entre CH en kJ/kg (0,5b ; 105C) 750
entre CH en kcal/kg 179,1686574
sortie CH en kJ/kg (30b ; 380C) 3200
sortie CH en kcal/kg 764,4529384
Enthalpie de lair (h air) en kcal/kg 8,708
Enthalpie du combustible (h combustible) kcal/kg 9,576
dbits massiques moyens combustible CH1 (kg/h) 21044,3131
combustible CH2 (kg/h) 17881,0868
vapeur CH1 (kg/h) 45876,60256
vapeur CH2 (kg/h) 38980,76923
air CH1 (Nm3/h) 159097,5639
air CH2 (Nm3/h) 135183,1888
Tous calculs faits, nous donnent les rsultats suivants :
Tableau 5 : Calculs des Puissances thermiques mises en jeu lors de la combustion
CH1 CH2
P th utile (kW) 31227,5436 26533,649
P th introduite (kW) 46511,64192 39520,3541
Pertes par chaleur sensible fumes (kW) 16761,35116 14241,9082
Pertes par imbruls solides (kW) 0 0
Pertes par imbruls gazeux (kW) 0 0
Pertes par chaleur sensible mchefers (kW) 0 0
Pertes thermique aux parois (kW) 465,1164192 395,203541
PERTES TOTALES (kW) 17226,46758 14637,1117
Il est important de noter que les pertes par imbruls sont ngliges causes du systme de
rcupration des imbruls au niveau des foyers de combustion.
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Nous prendrons les pertes aux parois gales 1% de la puissance thermique introduite [2]
.
iv-Rendement de combustion
Les rendements de combustion des chaudires sont obtenus par la formule suivante :
(Source [1])
AN :
Le constructeur value le rendement nominal des chaudires ch 80%
Soit un manque gagner denviron 18% ; Ce manque gagner sexplique par les pertes
thermiques leves et le fort taux dhumidit dans la bagasse. Pour remdier ce problme,
nous proposons dans la seconde partie de notre tude une solution technique pour optimiser la
production de vapeur, et des mesures palliatives (issues dun pr-diagnostic nergtique) en
vue de lamlioration des conomies dnergies au niveau des diffrents postes utilisateurs.
c) Le stockage de la vapeur surchauffe
Aprs la combustion dans les chaudires, la vapeur surchauffe est recueillie dans un ballon
de stockage (Le Barrilet) environ 30bars ; 380C, avant dtre envoye pour la dtente dans
les turbines. Ainsi on obtient selon le tableau 1, 1091 T/j de bagasse ; la combustion dans les
chaudires nous donne environ 2182 T/j de vapeur qui seront stockes dans le ballon ;
Notons que cette valeur sobtient partir du ration de consommation nergtique des
chaudires qui est de 2 kg vapeur/ kg bagasse. Enfin, lors du dstockage, il ne reste que
1877 T/j de vapeur. Le bilan massique au niveau du ballon de stockage est rsum par la
figure suivante :
2182 T vapeur
BARRILET 30bars ; 380C
1877 T vapeur
Pertes 14% vapeur
Figure 3 : bilan massique du ballon de stockage de vapeur surchauffe
rendements rels
CH1 % 62,96
CH2 % 62,96
c= (Puissance thermique introduite Pertes) / Puissance thermique introduite
-
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d) La production dlectricit
La production dlectricit est principalement assure par des Turbines couples des
alternateurs. Il ya deux turbines au niveau de la centrale : un turboalternateur de 6,28 MW et
un Turboalternateur de 3MW.
La vapeur surchauffe (1877 T/j vapeur) issue du ballon de stockage arrive au niveau des
turbines sous pression pour la dtente. On a environ 1300T/j vapeur ;
Le reste de la vapeur (577 T/j vapeur) permet dalimenter le process de fabrication et les
moulins. Ceux-ci permettent de recueillir le jus de canne aprs ltape de dfibrage au niveau
des coupes cannes. Pour lvaluation des puissances lectriques fournies, on tient compte des
ratios de consommations des diffrentes turbines. La figure 4 ci dessous en fait un rsum.
Figure 4 : Bilans matires des turboalternateurs
NB : Il est important de noter quil ya dnormes pertes au niveau des turbines lors de la
dtente. Le calcul dtaill de ces pertes se fera dans la section suivante traitant du calcul des
pertes de charges et dnergies du cycle de la vapeur deau.
Condenseur
25 T/h 12 T/h
Soutirage
37 T/h
9 kg vap/kWh
888 T vap
= 30%
4,11MWl
1877 T vap
TURBO ALTERNATEUR
Turbo SIEMENS (6,28 MW)
ALTERNATEUR
98666,66 kWh
2,12MWl
Turbo ACEC (3 MW)
ALTERNATEUR 51000 kWh
408 T vap
= 30%
Pertes 17 T/h
8 kg vap/kWh
17 T/h
TOTAL
149666,66 kWh
Fabrication
-
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La synthse du bilan nergtique global pour une tonne de canne broye est rsume sur la figure ci-dessous :
0,38 T vap (68 %)
0,18 T vap (32 %)
0,66 T vap
BARRILET
0,56 T vap
TURBOS ALTERNATEUR
PROCESS (moulins, dtentes)
et
(ballon de
Pertes
de stockage)
Pertes
2 kg vap/kg bagasse
br = 30%
Ch = 60%
1 T
BROYAGE
0,33 T CHAUDIERES
0,66 T vap
BARRILET
Cannes Bagasse
Vapeur
(ballon de
Pertes
de stockage)
-
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Condenseur
6,96 kg/h
3,32 kg/h
10,4 kg/h
Soutirage
9 kg vap/kWh
0,38 T vap
0,25 T vap
= 30%
TURBO ALTERNATEUR
Turbo SIEMENS
ALTERNATEUR
27,77 kWh Soit 1,157 kWe
Turbo ACEC ALTERNATEUR 16,25 kWh soit 0,677 kWe
0,13 T vap
= 30%
8 kg vap/kWh
5,41 kg/h
5,41 kg/h
Fabrication
Total 44,02 kWh
Figure 5 : Bilan nergtique global par tonne de canne broye
-
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2) Etude de remise niveau des rseaux de vapeur
a) Evaluation des pertes de charges
Lvaluation des pertes de charges sest faite partir de la mthode de COLEBROOK [10] dcrite en Annexe2. Le circuit de vapeur
considr dans notre cas est en Annexe3.
Les rsultats sont consigns dans le tableau suivant :
Tableau 6 : Calculs des pertes de charges
SINGULARITES
TRONCONS Longueurs (m) (mm) dbit (m3/h) vitesse (m/s) (cSt) (kg/m3) Re J
nombre de coude 90 P (kg/cm)
pompe alim1 - Chaudire1 40 150 89,4 1,42126133 0,312 961,92 683298,718 0,035 8 0,28280448
pompe alim2 - Chaudire2 40 150 89,4 1,42126133 0,312 961,92 683298,718 0,035 8 0,28280448
Chaudires 1 - Barrilet 70 250 45 40 2,934 10,25 3408316,29 10 7 1,112125
Chaudires 2 - Barrilet 70 250 45 40 2,934 10,25 3408316,29 10 7 1,112125
Barrilet - Turbo Siemens 26 200 37 40 2,934 10,25 2726653,03 17 5 0,9322375
Barrilet - Turbo Acec 26 200 17 40 2,934 10,25 2726653,03 17 5 0,9322375
Barrilet - Moulins (*5) 35 200 - 40 49,7 0,3716 160965,795 15 8 0,25083
Barrilet - Dtente MP (cuite) 60 50 - 40 2,934 0,3716 681663,258 100 6 0,345588
Barrilet - Dtente BP (vapos) 60 50 - 40 2,934 0,3716 681663,258 100 6 0,345588
5,59633996
-
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b) Evaluation des pertes dnergies
Lvaluation des pertes dnergies concernent essentiellement les gros consommateurs
dnergie du cycle vapeur deau : savoir la chaudire et les turbines ;
Le calcul des pertes au niveau des chaudires a t abord dans la partie bilan
nergtique des installations du prsent rapport. Nous nous contenterons dexposer, dans
cette section, les rsultats relatifs aux investigations sur les turbines.
i- Cas de la Turbine SIEMENS : 6,28 MW
Le cycle vapeur deau
Le cycle thermodynamique vapeur deau ci-dessous illustre la circulation de la
vapeur deau avec la turbine SIEMENS ( condensation).
Figure 6 : Cycle de Hirn avec turbine SIEMENS
Les valeurs des enthalpies sont consignes dans le tableau 7, la page suivante.
-
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NB : La nomenclature du cycle est la suivante :
Tableau 7 : Tableau des enthalpies des points du cycle de Hirn avec la turbine SIEMENS
points du cycle enthalpies (kJ/kg) Temprature (C) Pression (bar)
0 466,9 - 1,5
1 470,55 110 38
2 2805,5 - 30
3 3200 380 30
4 2780 - 1,94
5 2500 - 1,5
5' 2750 140 1,5
Evaluation des rendements globaux et pertes
Les formules de calculs sont en annexe4. Les Applications numriques nous donnent les
rsultats ci-dessous :
Rendement thermodynamique du cycle : th = 28,97 %
Rendement interne de la turbine SIEMENS : i = 64,28 %
Pertes dnergie dues laccroissement dentropie : Pertes = 100 - i = 35,71 %
On prendra pour nos calculs rendement mcanique de la turbine : i = 85 %
Le rendement global est obtenu par le produit des trois rendements prcdents ; on a :
g rel = 15,8 %
g thorique = 32 %
0 - 1 : pompage 3 - 5:dtente thorique
1 - 2: vaporisation 3 - 5':dtente relle
2 - 3:surchauffe 4: soutirage
-
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ii- Cas de la turbine ACEC : 3 MW
Le cycle vapeur deau
Le cycle thermodynamique vapeur deau ci-dessous illustre la circulation de la
vapeur deau avec la turbine ACEC (Turbine contre-pression).
Figure 7 : Cycle de Hirn avec turbine ACEC
Les valeurs des enthalpies sont consignes dans le tableau 8
NB : La nomenclature du cycle est la suivante :
0 - 1 : pompage 3 - 5:dtente thorique
1 - 2: vaporisation 3 - 5':dtente relle
2 - 3:surchauffe
-
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Tableau 8 : Tableau des enthalpies des points du cycle de Hirn avec la turbine ACEC
points du cycle enthalpies (kJ/kg) Temprature (C) Pression (bar)
0 191,7 - 0,1
1 195,49 110 38
2 2805,5 - 30
3 3200 380 30
4 - - -
5 2500 - 1,5
5' 2760 89 1,5
Evaluation des rendements globaux et pertes
Les formules de calculs sont en annexe4. Les Applications numriques nous donnent les
rsultats ci-dessous :
Rendement thermodynamique du cycle : th = 27,94 %
Rendement interne de la turbine ACEC : i = 62,85 %
Pertes dnergie dues laccroissement dentropie : Pertes = 100 - i = 37,14 %
On prendra pour nos calculs rendement mcanique de la turbine : i = 85 %
Le rendement global est obtenu par le produit des trois rendements prcdents ; on a :
g rel = 12,4 %
g thorique = 32 %
-
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c) Optimisation de la production de vapeur : Solution 1
Loptimisation de la production de vapeur passe par une bonne prparation de la bagasse en
amont de la chaine de production ; Ainsi, nous proposons un Shredder dune capacit de
4000t/j entrain par une turbine vapeur. Le cout de linvestissement est de 1,5 milliard
FCFA ; Les marges de gain obtenues par remplacement du coupe-canne finisseur par le
Shredder sont consignes dans le tableau 9.
NB : Il est important de noter que lusine compte trois coupe cannes : un coupe-canne
baucheur, un coupe-canne trononneur et un coupe-canne finisseur. Le prsent calcul est fait
pour le remplacement du coupe-canne finisseur par le shredder.
Caractristiques de lquipement :
Shredder type Tongaat : Puissance absorbe = 45 kW/tfh ; puissance installe = 65 kW/tfh
Un shredder Tongaat dune capacit de 20 kW/tfh est aliment par une turbine vapeur de
280 kW (Source : E.HUGO la sucrerie de cannes P.891)
Dans notre cas : 65 kW/tfh, il nous faut une turbine de 1000 kW avec 13,5 kg vap/kWh
(Source : E.HUGO la sucrerie de cannes PP.58-66)
Soit un dbit de vapeur de : 1000 kW * 13,5 kg/kWh = 13,5 T/h;
Prenons dbit vapeur = 15 T/h
Gain en extraction de Jus = 0,1 % ; Indice de Prparation (IP) = 91 (Source : E.HUGO la
sucrerie de cannes )
Caractristiques vapeur : Admission: 28b, 380C (h = 3200 kJ/kg);
Dimensionnement du shredder :
Notre dimensionnement se base sur une consommation journalire de 4000 T/J, soit 166T/h.
Le Shredder est un appareil destin la prparation de la canne avant broyage au niveau des
moulins, en clatant les fibres de la canne ; il permet un travail plus efficace des moulins en
facilitant l'extraction du jus. Son nom lui vient du verbe anglais to shred qui signifie :
couper en petits morceaux, dchiqueter, mettre en lambeaux [11]
.
-
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Le bilan massique est rsum sur la figure ci-dessous :
2kg vap/ kg bagasse
166 T/h Canne 55 T/h bagasse 110 T/h vap
25 30 T/h 15 T/h
110 T/h vap 94,6 T/h vap +
49,6 54,6 T/h vap
Figure 8 : bilan massique pour installation dun shredder
Ltude technico-conomique de notre solution nous a permis dvaluer le gain financier
annuel du projet dinstallation dun shredder, ainsi que le dlai de rentabilit du capital
investi. Les rsultats sont consigns dans le tableau 9 la page suivante.
NB : Le dbit de vapeur des moulins (initialement de 19 T/h) se trouve diminuer de 10 15%
suite linstallation du shredder [12]
Process Ballon de
stockage
Turbos
Alternateurs
Coupes
canne +
Shredder
Chaudire
Turbine
SHREDDER
-
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NB : Les calculs du TRI sont faits sans actualisation
d) Optimisation de la production dlectricit : Solution 2
La production dlectricit se trouve en bout de la chaine de production dnergie ; Une bonne
production dlectricit passe dabord par la bonne qualit de la vapeur (P=30b ; T=380C).
Le problme majeur au niveau de la production dlectricit est que les turbines narrivent pas
monter en puissance.
Tableau 9: Etude technico-conomique de l'installation d'un Shredder vapeur
Situation de rfrence 3200T/J
solution avec shredder 4000T/J
PUISSANCE FOURNIE kW 6220 6220 ENERGIE FOURNIE kWh 149666 149666
TOTAL VAPEUR DISPONIBLE (en T/h) 78,2 94,6
SIEMENS 37 37 ACEC 17 17
Moulins (diminution de 12% de consommation) 19 16,72 Dtente MP (augmentation de 25% de consommation en vap) 0,9 1,125 Dtente BP (augmentation de 25% de consommation en vap) 4,2 5,25
SHREDDER avec turbine vapeur 0 15
Puissance moyenne disponible (kW) 6220 6220 Puissance relle fournie (kW) 6220 6220
Totale consommation relle 78,1 92,10 Gain en vapeur (T/h) - 2,51 Gain en vapeur (T/J) - 60,12
Surplus Energie en kWh - 6 961,26 Gain financier du surplus nergie par Jour (en FCFA) - 522 094,74
Gain financier du surplus nergie vapeur par an (en FCFA) 180Jour - 93 977 052,63 Gain surplus puissance instantane produite (kW) - 0
Gain financier surplus puissance instantane produite/J en kWh - 0 Gain financier surplus puissance instantane produite/an en kWh - 0 Gain financier du surplus nergie turbo par an (en FCFA) 180Jour - 0
Gain financier de sucre produit par an (en FCFA) sur 180Jour - 68 405 200,00
-
Gain financier annuel du projet: - 162 382 252,63 Cout d'investissement en FCFA TTC - 1 500 000 000,00
Temps de retour sur investissement (TRI en anne) - 9,24
-
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Cela sexplique par plusieurs facteurs qui sont :
Un accroissement dentropie trop lev lors de la dtente
Fuite de vapeur au niveau des brides (lments de rgulations souvent
dfaillants)
La rgulation nest pas bien assure (Ouverture et la fermeture des soupapes
HP et BP)
Turbulences dans les coulements
Nous proposons donc des solutions pour remdier ces problmes :
- Limiter les turbulences dans les coulements (assurer un bon calorifugeage)
- Assurer une bonne rgulation des soupapes (Ouverture et fermeture)
- Dans une turbine vapeur, pour optimiser la dtente, il faut que la veine de vapeur soit
tangentielle par rapport aux aubages de la turbine
- Rhabilitation des lments mcaniques des turbines
La rhabilitation des lments mcaniques des turbines consiste en une rvision approfondie
des turbines. On procde ensuite au remplacement des lments suivants : Bande dtanchit,
lments de rgulation, Calorifugeage des turbines Moulins et des Turbo alternateurs.
NB : Loffre de prix pour la liste des pices de rechange est en annexe7.
Le cot global de cette opration est denviron 350 000 000 FCFA ; Nous supposons que la
mise en uvre de cette solution devrait permettre de gagner au moins 50% de la vapeur
perdue lors de la dtente dans les turbo-alternateurs. Le calcul technico-conomique sur le
gain en vapeur ainsi que le surplus de production dnergie lectrique qui en dcoule, sont
rsums dans le tableau 10 ci dessous.
tableau 10 : Etude technico-conomique de la rhabilitation des lments mcaniques des turbines
TURBINES SIEMENS ACEC
dbit vapeur moyen total (t/h) 37 17
dbit vapeur perdu (t/h) 11,0075 5,3465
Pourcentage rcupr sur pertes% 0,5 0,5
Quantit de vapeur rcupre(t/h) 5,50375 2,67325
Quantit de vapeur rcupre(t/J) 132,09 64,158
TOTAL vapeur rcupre (t/J) - 196,248
Potentiel d'nergie lectrique (kWh/J) - 22 723,45
Puissance instantane rcupre (kW) - 946,81
- Cout de ce gain nergtique/ J (FCFA) - 1 704 258,95
Cout de ce gain nergtique/ an (FCFA) - 306 766 610,53
-
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Autre Solution : Une troisime solution, consisterait mettre en uvre les deux solutions
simultanment, c'est--dire : installation dun shredder vapeur et la remise en tat des
turbines.
Le cout dinvestissement global reviendrait environ 2,3 milliards FCFA. Ltude technico-
conomique est rsume dans le tableau 11
Tableau 11: Etude technico-conomique des deux solutions combines: installation shredder + rhabilitation turbines
Situation de rfrence 3200T/J
solution avec shredder 4000T/J
PUISSANCE FOURNIE kW 6220 6220 ENERGIE FOURNIE kWh 149666 149666
TOTAL VAPEUR DISPONIBLE (en T/h) 78,2 94,6
SIEMENS 37 31,5 ACEC 17 14,4
Moulins (diminution de 12% de consommation) 19 16,72 Dtente MP(augmentation de 25% de consommation en vap) 0,9 1,125 Dtente BP(augmentation de 25% de consommation en vap) 4,2 5,25
SHREDDER avec turbine vapeur 0 15
Totale consommation relle 78,1 83,995 Gain en vapeur (T/h) - 10,605 Gain en vapeur (T/J) - 254,52
Surplus Energie en kWh - 29 470,74 Gain financier du surplus nergie par Jour (en FCFA) - 2 210 305,26
Gain financier du surplus nergie vapeur par an (en FCFA) 180Jour - 397 854 947,37 Gain surplus puissance instantane produite (kW) - 0
Gain financier surplus puissance instantane produite/J en kWh - 0 Gain financier surplus puissance instantane produite/an en kWh - 0 Gain financier du surplus nergie turbo par an (en FCFA) 180Jour - 0
Gain financier de sucre produit par an (en FCFA) sur 180Jour - 68 405 200,00
- Gain financier annuel du projet: - 466 260 147,37
Cout d'investissement Shredder - 1 500 000 000,00
Cout d'investissement rvision Turbine - 253 859 707,00
Investissement TOTAL - 1 753 859 707,00
Cout d'investissement GLOBAL FCFA TTC - 2 280 017 619,10 Temps de retour sur investissement (TRI en annes) - 4,89
NB : Les calculs du TRI sont faits sans actualisation
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3) Diagnostic des performances nergtiques (DPE)
Etape 0 : Frquence des problmes rencontrs
Le rcapitulatif des pannes survenues lors de la campagne sucrire 2010-2011, se rsume par
le graphique ci-dessous (source Direction usine-service Labo):
Figure 9 : Pourcentage des pannes Usine
Etape 1 : Collecte des donnes
La phase de collecte des donnes nous a permit de recueillir les donnes relatives au suivi des
consommations nergtiques de lusine dans le cadre du suivi habituel.
Figure 10 : rpartitions des consommations moyennes journalires
0102030405060
% Panne Usine
% PU
0
20000
40000
60000
80000
Sucrerie garage Atelier mca
Usine arrt Irrigation Annexes Habitation
Rpartitions des consommations moyennes journalires en kWh
sur CIE sur Turbos
-
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Etape 2 : Ralisation des mesures
Nous avons effectu des mesures (dbit massique, dbit vapeur, consommation dlectricit,
pertes de charges) qui nous ont permit de raliser le bilan nergtique de toute la chaufferie.
(Voir respectivement Tableaux 4, 5, 6 et figure 10)
Etape 3 : Hirarchisation des actions
Lexamen de lensemble des informations recueillies lors des tapes 0 2 permet de dresser la
liste de toutes les actions envisageables : actions simples et de bon sens, actions dentretien
courant, actions ncessitant des investissements. Le rcapitulatif des mesures dconomies
dnergie est rsum dans le tableau 10 la page suivante.
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Tableau 12 : Mesures dconomies dnergies [8]
Production dnergie sous chaudire
- Bonne adaptation de la puissance des brleurs la production et au rythme dactivit
- Assurer la continuit de marche des ventilateurs de tirage
- Abaisser la temprature des fumes
- Encourager le schage de la bagasse avant darriver dans la chambre de combustion
- Possibilit dun choix optionnel dnergie en cas de rupture dapprovisionnement
- Optimisation des rglages de combustion pour maintenir le meilleur rendement de production dnergie
Rseaux de distribution
- Maintien en tat des rseaux de distribution (calorifugeage, conception adquate aux besoins), du ballon de stockage, des purgeurs, des vannes, etc.
- Rcupration optimale des condensats
- Remplacer les lments de rgulation dfaillants : clapet automatique, vanne disolement, vanne de rgulation, vanne prise vapeur.
Evaporateurs
- Rgulation de vapeur adapte
- Suppression des dures inutiles de maintien en temprature
- Rcuprations dnergie sur les rejets pour une utilisation adapte la temprature
- Vrification rgulire de ltat dencrassement des vaporateurs
Motorisation (conomie dnergie possible = 4%)
- Constitution dun plan de suivi du parc des moteurs (historique, implantations, fiches didentit, frquences dinterventions et des pannes, etc.)
- Choix des moteurs en fonction de lutilisation (type, puissance, rythme dutilisation). Limiter les marges de scurit trop importantes sur la puissance
- Renouvellement des moteurs anciens par des moteurs neufs de meilleure efficacit
- Arrt des rebobinages trop frquents de moteur, qui dtriorent le rendement et dont le cot est parfois quivalent celui de lachat dun moteur neuf.
Pompage (conomie dnergie possible = 1%)
- Optimisation du fonctionnement par une gestion technique centralise
Eclairage (conomie dnergie possible = 0,5%)
- Optimisation du niveau dclairement en fonction de lusage
- Possibilits dinstallations dautomatismes : dclencheurs automatiques, asservissement la lumire du jour, programmation des allumages/extinction
- Entretien des luminaires
- Adoption de technologie basse consommation dnergie en fonction de lusage (type de local, dure continue ou intermittente).
-
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B. propositions de solutions en vue daccroitre lindpendance nergtique de
lusine
a) Valorisation de la mlasse en biogaz
En vue de la ralisation dconomies dnergies dans le procd, nous proposons la
mthanisation de la mlasse, puis valorisation du biogaz issu de cette mthanisation, en
lectricit.
On part sur la base dune production minimale de 100 tonnes de mlasse par jour (source
direction usine-Service Laboratoire). Lestimation des couts financiers et de production
dlectricit sest faite par rapport ceux des usines biogaz de HAREN et WOTERSEN en
Allemagne (Voir Annexes 5 et 6) [15]
; Ce biogaz est obtenu par valorisation de lensilage de
mas. Le calcul estimatif se justifie par les potentiels mthanognes trs voisins que possdent
lensilage de mas et la mlasse.
En effet, on a pour 1Tonne de substrat : 205 m3 de biogaz par tonne densilage de mas et
228 m3 de biogaz par tonne de mlasse. Les rsultats obtenus sont rsums dans le tableau 11
ci-dessous.
Tableau 13: Etude technico-conomique de la valorisation en biogaz et lectricit de la mlasse
COUTS DE L'INSTALLATION
Quantit de substrat (Mlasse) consomm par jour (T) 100,00
1 INSTALLATION DE 500 KW (FCFA) 1 310 000 000
1 INSTALLATION DE 1500 KW (FCFA) 1 637 500 000
COUT TOTAL INVESTISSEMENT 2 947 500 000,00
Energie produite par jour (kWh) E 48 000,00
Consommation interne d'nergie pour l'usine (brasseurs, pompes) 8%E 3 840,00
Gain ralis sur nergie CIE par anne (FCFA) 596 160 000
Cout de maintenance annuel (FCFA) 65 500 000
Bnfice net annuel du projet (FCFA) 568 620 329,02
Temps de retour sur investissement (en anne) 5,18
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b) Etude dimpact environnemental
La production et lutilisation du biogaz ont un impact positif sur lenvironnement. En effet,
Le biogaz produit se substitue lnergie de la CIE. Notre projet de production dlectricit
verte, permet de produire environ 45000 kWh par jour. On sait que la production dnergie
par la CIE gnre 0,7291 t eq CO2 par MWh produit [13]
. Alors notre projet permettra dviter
environ 5795 t eq CO2 par an.
Notre projet est-il ligible au MDP ?
Pour rpondre cette question il est important de faire un bref rappel sur ce quest le MDP et
valuer si notre projet peut bnficier ou non des subventions de ce programme. En effet le
terme MDP signifie Mcanisme pour le dveloppement propre. Il fait partie des deux
mcanismes arrtes au protocole de Kyoto en 1997. Le MDP tout comme le second
mcanisme MOC (Mise en uvre conjointe) vise encourager tout projet luttant contre les
missions du CO2 dans le monde. Il ressort de ses textes que le prix allou 1 tonne de CO2
vite est de 10 euros [14]
. La quantit de CO2 squestre par notre projet est de 5795 t eq
CO2 par an, quivalent un cot de 57 955 euros soit 37 960 329 FCFA.
Cest un projet de production dnergie par des dchets vgtaux. Lligibilit au MDP
dpend des deux conditions suivantes [17]
:
- Le projet doit tre en conformit avec la politique nationale de Dveloppement
Durable du pays hte
- Additionnalit des missions engendres
Lanalyse des critres dligibilit de projets MDP en CI [iv], (voir Annexe 8) nous permet de
dire que notre projet pourrait tre ligible au MDP. Cependant, il faudrait une certification
dun organisme spcialis (tel que SGS ou VERITAS) sur la nature de lligibilit au MDP de
notre projet.
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V- DISCUSSIONS ET ANALYSES
A. Analyses des tudes nergtiques
1) Analyse du Bilan nergtique des installations (de la bagasse
llectricit)
Au regard du bilan global ralis, nous constatons quil ya dnormes pertes enregistres au
niveau des chaudires, du ballon de stockage, des turbines et dans les canalisations. Le bilan
global ralis par tonne de canne broye nous donne 44 kWh produit en fin de procd contre
environ 55 kWh dans un procd efficace. [16]
Au niveau des chaudires, on a des pertes trs leves correspondant un manque gagner de
18 20% ; Cest ce qui explique le faible rendement de combustion ( 60%);
Au niveau du ballon de stockage, on value les pertes 0,1 T vapeur par Tonne de canne
broye ; soit environ 14% de pertes au niveau du stockage de la vapeur.
Le pic des pertes senregistre au niveau des turbines. En effet, on a respectivement lors des
dtentes, 28% et 39% de pertes de vapeur pour les turbines condensation (SIEMENS) et
contre pression (ACEC). Ce qui impute sur les rendements globaux des cycles vapeur deau.
Ainsi, on a pour la turbine condensation un rendement global g=15,8% contre g=32%
(valeur thorique); soit un manque gagner de 17% et pour la turbine contre pression
g=12,4% ; soit un manque gagner de 19,6%. Lamlioration de ces rendements globaux est
dterminante dans loptimisation des consommations nergtiques de lusine entire. Cest
pour cela que nous avons propos des solutions exploitables moyen terme en vue de
loptimisation de la production de vapeur et dlectricit.
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2) Analyses de lEtude de remise niveau des rseaux de vapeur
- Optimisation de la production de vapeur
Linstallation du shredder englobe un cout dinvestissement de 1,5 Milliard FCFA.
Les gains en vapeur slvent environ 60 T/j de vapeur. Ce qui correspond une
production nergtique journalire denviron 6 960 kWh/J. Lquivalent financier de ce
gain nergtique se fait par rapport au cot moyen de lnergie produite par la CIE, qui est
denviron 75 FCFA/kWh, on a un gain sur nergie de 93 977 052 FCFA/an.
A cela sajoute le gain au niveau du taux de sucre extrait en utilisant un shredder ; On
lvalue 0.1% de jus extrait en plus (Source : E.HUGOT, la sucrerie de cannes
P.299). On part sur la base dune production annuelle de 434.380 T (cette valeur t
retenue pour nos estimations compte tenu des objectifs futurs de production). Ce qui nous
fait un surplus de production sucrire de 117,94 T/an.
En considrant 1T de sucre 580.000FCFA, on a un gain de 68.405.200 FCFA. Le gain
financier total du projet slve 162 382 252 FCFA/an
Ainsi, on a un temps de retour sur investissement 9 ans. Avec une exploitation de
lquipement sur 15 20 ans;
- Optimisation de la production dlectricit
La mise en uvre de la solution consistant rhabiliter les lments mcaniques des
turbines, cote environ 350 000 000 FCFA ; En revanche, cette solution permet davoir un
surplus dnergie lectrique denviron 22 700 kWh par jour, soit un gain financier sur CIE
denviron 300 000 000 FCFA par anne. Le temps de retour sur investissement est de 1,2
an. Cette solution est dautant plus rentable quelle reprsente un norme potentiel
dconomies dnergies qui peut tre ralis au sein de lusine.
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- Solution combine : Installation dun Shredder vapeur et rhabilitation des turbines
La ralisation de cette troisime solution est de loin la plus rentable. En effet, on a un cot
dinvestissement denviron 2,3 Milliards FCFA. On a un surplus de vapeur denviron 250
T/J ; Ce qui quivaut un surplus nergie de 29 MWh par jour. Cela engendre un gain sur
CIE denviron 397 Millions FCFA par anne. A cela sajoute le gain sur le taux
dextraction du sucre, qui est de 0,1 % ; Finalement, on obtient aussi un gain en
production de sucre, denviron 117 T par anne, soit un gain financier de 68.405.200
FCFA. Le gain financier annuel du projet est denviron 466 Millions FCFA.
Le temps de retour sur investissement est denviron 5 ans ; ce projet est donc trs
rentable.
- Diagnostic des Performances nergtiques
Le DPE nous a permis de dresser un tableau regroupant un certain nombre dactions
dentretiens courants, et des mesures dconomies dnergies, dans une approche globale,
cest--dire en tenant compte de tous les choix nergtiques et technologiques disponibles,
des caractristiques des installations existantes, et des contraintes internes lentreprise
(structure, expertise disponible, etc.) et externes, lies son environnement local. La
ralisation de ce tableau est base sur lexprience mene par les experts en la matire,
auprs des entreprises franaises dans le cadre dun programme dactions collectives
ADEME/IFTH sur la maitrise de lnergie.
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B. Analyse des propositions de solutions co-nergtiques
a) Valorisation de la mlasse en biogaz
La production et lutilisation du biogaz ont un impact positif sur lenvironnement. En effet,
le biogaz se substitue trs frquemment aux nergies fossiles ce qui contribue rduire
Les missions de gaz effet de serre, responsables en partie du drglement climatique.
Au cours de leur transformation, les matires organiques vgtales utilises directement
ou indirectement pour produire du biogaz mettent la mme quantit de CO2 que celle
absorbe pendant leur croissance ou leur production. Ds lors, lutilisation de la
biomasse, continuellement renouvelable, engendre un processus de cycle. Lmission de
CO2 est matrise et stabilise [15].
Notre projet biogaz a permis de squestrer une importante quantit de CO2 denviron 5795 T
eq CO2 par an. En plus, le temps de retour sur investissement est de 5 ans, ce qui montre que
notre projet est rentable. Il est important de signaler, quen plus du biogaz et de llectricit
produite, notre projet permettra dobtenir un digestat en fin de mthanisation denviron 65
70 Tonnes par jour, qui pourra aussi tre utilis pour pandage dans les plantations.
En plus, la viabilit de notre projet par rapport au dveloppement durable se justifie 3
niveaux.
Au Niveau Social : Appropriation de la technologie propre, dveloppement et renforcement
des capacits des acteurs
Au niveau Economique : Rentabilit conomique (596 160 000 FCFA conomise par an sur
lectricit CIE).
Au niveau environnemental : Gestion durable des ressources naturelles (bagasse de canne),
lutte contre le changement climatique et la durabilit de lenvironnement local.
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VI- RECOMMANDATIONS
a) Sur le plan nergie
Lanalyse approfondie du bilan nergtique global (figure 5 : Bilan nergtique global par
tonne de canne broye), nous ressort que lefficacit du procd est encore trs faible. En
effet, pour une tonne de canne broye, lUAI produit 44 kWh au lieu de 55 kWh, dans le cas
dun procd efficace (Source [16]). Il ya donc un manque gagner denviron 11 kWh par
tonne de canne broye. Dans une vision dconomie dnergie, il serait bnfique dentamer
des tudes sur le schage de la bagasse avant sa combustion dans le foyer. Le taux dhumidit
retirer de la bagasse est un facteur dterminant pour raliser de bonnes conomies
dnergies en combustion. En effet, selon E.HUGOT dans la sucrerie de cannes PP.867,
Il nya pas dintrt scher au dessous de 10% dhumidit, car la bagasse risquerait de
remonter par elle mme 10% en absorbant lhumidit ambiante. On peut par exemple
sarrter 10, 15 ou 20% et utiliser la chaleur restant disponible dans les gaz dans un autre
changeur, par exemple un petit conomiseur .
De plus, il serait bnfique long terme de remplacer les turbines en vue de rentabiliser les
consommations de vapeur et optimiser davantage la production dlectricit. Aussi, dans la
mme optique, il serait judicieux dvaluer le bilan nergtique au niveau de la sucrerie
(vaporateurs, appareils cuire), en partant du jus de cannes jusqu la production de sucre
cristallis. Quelle est lnergie consomme actuellement ? Quelle devrait-tre lnergie juste
ncessaire pour le process ? Quelles sont les conomies dnergies ralisables en vue
damliorer lefficacit du process ?
b) Sur le plan environnemental
Le biomthane en usage dans une centrale gaz est plus cologique et comptitif que les
nergies lectriques dorigine fossiles dlivres par la CIE.
La mise en uvre de cette solution permettra lUAI dtre autonome du point de vue nergie
lectrique avec une production denviron 45 MWh par Jour, ce qui aura pour effet de rduire
denviron 50% le taux dindpendance nergtique pendant linter-campagne. LUAI vitera
des missions de GES de 5795 TCO2e par an, soit lquivalent de 57 955 euros soit
37 960 329 FCFA raison de 10 euros la TCO2e, pour un besoin dinvestissement de 2,9
milliards FCFA.
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VII- CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
Ce projet nous a permis de nous rendre compte de lnorme potentiel dconomies dnergies
et des possibilits de ressources nergtiques valorisables, que possdent lUAI. Le bilan
nergtique que nous avons ralis, nous montre bien la faible efficacit du procd de
production dnergie, avec un manque gagner denviron 11 kWh par Tonne de canne
broye. Cest dans cette optique que nous avons propos la solution combine installation
dun Shredder vapeur et une rvision approfondie des turbines. Cette solution permettra de
rentabiliser les consommations dnergie et la production dlectricit. En effet, avec un
investissement de 2,3 Milliards, on a un gain sur nergie de 29 MWh/J et un surplus de
production sucrire de 117 T/an, avec un temps de retour sur investissement denviron 5 ans.
A cela sajoute la valorisation de la mlasse. Nous avons propos un dimensionnement dune
usine Biogaz, en partant dun substrat de 100 Tonnes de mlasse par jour, pour produire
environ 45 MWh/J pour une puissance instantane de 2 MW. Le cout dinvestissement
slve 2,9 Milliards FCFA, avec un temps de retour sur investissement de 5ans. LUAI
pourra viter une mission denviron 5795 TCO2e par an. Ce projet Biogaz gnre des crdits
carbones quivalents 37 millions FCFA par an. Au cas o la mise en uvre de ce projet
devrait se faire, une dmarche rigoureuse dtudes technico-conomique et de recherche de
financements (Fonds propres, MDP..) reste obligatoire. Par ailleurs, il serait bnfique, dans
la mesure o ce projet squestre une importante quantit de CO2, de sengager dans la
dmarche du MDP, afin de trouver les ressources ncessaires au financement de ce projet.
En plus des conomies dnergies ralisables au niveau de toute la chaufferie, une tude peut-
tre faite sur les consommations dnergie de la sucrerie (vaporateurs, appareils cuire,
centrifugeuses), en vue de mieux cerner le volet consommation dnergie de lusine, et
augmenter lefficacit nergtique du procd allant de la production du jus de canne la
production du sucre en poudre.
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VIII- BIBLIOGRAPHIE
[1] : A. Bensakhria, .2011. Cours : Combustion et Chaudires
[2] : Y. COULIBALY, .2011. Cours : conomies dnergies dans le btiment et lindustrie
MGEER
[3] : Franois Broust, .2009. Cours : Combustion et Biomasse Chaudires : Principes et
bilans nergtiques
[4] : Y. COULIBALY, .2009. Cours Thermodynamique Applique Master1 nergie
[5] : Christel BRUNSCHWIG, .2010. Cours Les filires biochimiques pour la production de
biocarburants
[6] : A. BAYILI, .2009-2010. Mmoire Optimisation nergtique dune UAI : cas de
SUCRIVOIRE, unit de Zuenoula
[8] : Thmatique : Les diagnostics nergtiques, Fiches techniques PRISME n3
[9] : J. BLIN, .2010. Cours : Chimie Biochimie associes la biomasse nergie Master 1
nergie
[10] Catalogue-Formulaire N 79/1, 1re
EDITION (Novembre 1979) SERSEG
[11] E. HUGOT, La sucrerie de cannes, 3 EDITION. Techniques & Documentation-
Lavoisier
[12] Mouhamadou NIANG, .2007-2008. Mmoire Etude technico-conomique des systmes
dentrainement pour la commande du shredder et du 6 moulin de la compagnie sucrire
sngalaise
[13] CLEAN DEVELOPMENT MECHANISM-PROJECT DESIGN DOCUMENT FORM
AKUEDO (CDM-PDD) Version 03 - in effect as of: 28 July 2006
[14] Projet intgrateur Master2 2010-2011, Valorisation des rsidus organiques du 2IE par
mthanisation pour lalimentation en biogaz du restaurent de Kamboins.
[15] CAUSSADES Semences Production de biogaz, Octobre 2006
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[16] P. GIRARD, Confrence FOAD Biomasse & nergie Les agro-industries et le potentiel
de production dlectricit en Afrique : Quels enjeux pour quelles technologies ?
[17] Elodie HANFF, Les crdits Carbones une opportunit pour le dveloppement des projets
biomasse nergie en Afrique de lOuest ; Programme changements climatiques
Sites Internet
[i] http://www.thermodynamique.com/spip.php?article14 (consult en Mars 2011)
[ii] http://www.etab.accaen.fr/circocaensud/Ressources_pedagogiques/Ressources_tous_cycle
s/CRSTD/Changements%20d'%E9tat.htm (Consult en Mars 2011)
[iii] www.siemens.com/energy (consult le 5 Mai 2011)
[iv] http://www.mdp-cotedivoire.org/documents/fr/1.pdf (consult le 4 juin 2011)
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IX- ANNEXES
Annexe1 : Taux dindpendance et consommation nergtiques de lusine ....P44
Annexe2 : Extrait de mthode de COLEBROOK .... .P45
Annexe3 : Circuit de la vapeur deau ....P46
Annexe4 : Schma synoptique du process...P47
Annexe5 : Formulaire ...P48
Annexe6 : Usine Biogaz de WOTERSEN. P50
Annexe7 : Usine Biogaz de HAREN.... P51
Annexe8: Offre de prix pour rvision approfondie de la turbine....P52
Annexe9: Critres dligibilit de projets MDP en CI......P54
Annexe10: Planning du stage...P58
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Annexe I : Taux dindpendance et consommations nergtiques de lusine
USINE 137765 kWh / J
CIE 24775 kWh / J
Tableau des consommations dnergie moyennes journalires en kWh
85%
15%
Rpartition de la production d'nergie moyenne journalire (en %)
USINE CIE
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Annexe II : Mthode de COLEBROOK
Extrait du Catalogue-Formulaire SERSEG. PP. F163-164
Principe de la mthode de calcul de Colebrook et marche suivre
La perte de charge P est donne parla formule suivante : P = JL /10 000 dans laquelle
P : perte de charge cherche en kg/cm
L : longueur droite fictive de la tuyauterie en m
: poids spcifique du fluide dans les conditions de temprature et de pression de
lcoulement en kg/m3
J : coefficient donn par labaque
Pour dterminer ce coefficient J au moyen de labaque, il faut connaitre au pralable le
diamtre D de la tuyauterie, la nature et ltat de sa face interne, ainsi que la vitesse et le
nombre de Reynolds R caractrisant lcoulement. Nous indiquons ci-dessous les moyens
pratiques pour dterminer ces quatre paramtres dentre.
1 dtermination des paramtres dentre
- Diamtre intrieur de la tuyauterie (en mm). Tenir compte des dpts ventuels qui
rduiront ce diamtre dans le temps.
- Nature et tat de la face interne
- Vitesse (en m/s). elle peut se calculer par la formule suivante :
V = 353,7 q / D
- Nombre de Reynolds = 1000 VD / ; avec = 1000 /
- Poids spcifique rel (en kg/m3)
2 dtermination du coefficient J
Le coefficient J se dtermine au moyen de labaque de Colebrook
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Annexe III : Circuit de la vapeur deau
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Annexe IV : Schma synoptique du process de production dnergie
Coupe canne
+ shreddder 1T Cannes
1T Canne
broye MOULINS 0,33T
Bagasse CHAUDIERE
0,66T
Vapeur
surchauffe
TURBOS
44kWh
lectrique
Process de
FABRICATION +
dtentes MP, BP
0,26T vapeur
0,40T vapeur
(Moulins)
Jus de
canne
Jus de
canne
60kg Mlasse
(dchets)
96kg sucre
en poudre
Unit
dENSACHAGE
Sac de
sucre
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Annexe V : Formulaire
Formules des Calculs en combustion
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Formules des Puissances thermiques
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Annexe VI : Usine Biogaz de WOTERSEN
Extrait de CAUSSADES Semences Production de biogaz, Octobre 2006
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Annexe VII : Usine Biogaz de HAREN
Extrait de CAUSSADES Semences Production de biogaz, Octobre 2006
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Annexe VIII : Offre de prix pour rvision approfondie turbine
DESIGNATION Quantit Prix unitaire Prix TOTAL
Rducteur
Rvision approfondie de la turbine 1 53 064 376,00 53 064 376,00
Coussinets de palier pour PV 2 8 166 260,00 16 332 520,00
Palier de pignon 2 11 613 449,00 23 226 898,00
Patin de bute oscillant + goupille de maintien 1 9 362 671,00 9 362 671,00
coussinet palier avant 1 10 223 498,00 10 223 498,00
coussinet palier arrire 1 11 294 791,00 11 294 791,00
Bande d'tenchit et matriau mter boite AV 1 2 426 274,00 2 426 274,00
Bande d'tenchit et matriau mter boite AR 1 3 928 606,00 3 928 606,00
Bande d'tenchit et matriau mater pour Laby 1 1 2 402 170,00 2 402 170,00
Bande d'tenchit et matriau mater pour Laby 2 1 2 125 801,00 2 125 801,00
Bande d'tenchit et matriau mater pour boite et bute 1 55 258,00 55 258,00
Soupape de fermeture rapide
Tige de soupape de fermeture rapide 1 11 311 266,00 11 311 266,00
Soupape de rglage HP
Tige de soupape M20*1,5*428 2 2 891 550,00 5 783 100,00
Garniture de tige de soupape HD 102 2 440 881,00 881 762,00
Bague infrieure 40*20 4 300 786,00 1 203 144,00
Soupape de rglage BP
Tige de soupape L=418 G1 2 2 361 907,00 4 723 814,00
Garniture de tige de soupape HD 102 1 439 618,00 439 618,00
Douille de fond 20*34*30 2 846 575,00 1 693 150,00
Bague de fond 40*20*10 4 200 786,00 803 144,00
Commande soupape HP
Douille (30*40*30) 1 960 553,00 960 553,00
fourreau de distributeur 1 7 125 007,00 7 125 007,00
Tiroir de distribution complet 1 11 831 062,00 11 831 062,00
Ressort de compression 4,0*30,0*61,6*15,7 1 79 734,00 79 734,00
Commande soupape BP
fourreau de distributeur 25 1 3 604 335,00 3 604 335,00
Distributeur de commande 25*144 1 5 095 754,00 5 095 754,00
Tige de piston 25E6*391 1 1 331 985,00 1 331 985,00
Ressort de compression 3,0*20,0*0*50,7*13,7 1 163 551,00 163 551,00
Pompe principale et pompe rgulation
Coussinet 20*35*40 1 1 098 872,00 1 098 872,00
Bague d'tenchit 112*138*15 1 1 518 818,00 1 518 818,00
Arbre de pompe huile 1 3 668 998,00 3 668 998,00
Palier radial DR 2032 1 180 759,00 180 759,00
Bague d'tenchit50*72*12 1 863 373,00 863 373,00
Bague 64*99*6 1 1 303 293,00 1 303 293,00
Palier de disque 1 5 706 055,00 5 706 055,00
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Rgulateur 2A1/0/0
ressort de traction 3,2*18 2 2 992 291,00 5 984 582,00
piston asservi 30 2 747 687,00 1 495 374,00
Douille de liaison C30 2 2 916 890,00 5 833 780,00
Douille 25*29,5*32 2 1 983 156,00 3 966 312,00
Logement de rotule 20 1 551 184,00 551 184,00
rducteur pour changement de vitesse de la turbine 1 16 874 351,00 16 874 351,00
Moteur de changement de vitesse de la turbine 1 3 126 449,00 3 126 449,00
TOTAL 243 646 042,00
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Annexe IX : Critres dligibilit de projets MDP en CI
Le processus de mise en uvre du MDP en CI
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Annexe X: Planning du stage