PartagerUne laiterie industrielle primée pour son système intégré de pompe à chaleur
Un article récent a étudié la consommation d’énergie et les performances d’un système intégré de pompe à chaleur innovant dans une laiterie située en Norvège. Cette laiterie faisait partie des lauréats du prix “Heat pump city of the year” décerné en 2019 par l’association européenne des pompes à chaleur (EHPA).
Ces dernières années, l’utilisation de pompes à chaleur à haute température intégrées combinées à des réservoirs de stockage thermique a été étudiée comme un moyen efficace et écologique de fournir du chauffage et du refroidissement dans les applications industrielles.
Selon les études, les laiteries industrielles sont bien adaptées à la mise en place de systèmes de pompe à chaleur à haute température. En effet, la transformation des produits laitiers implique à la fois le chauffage et le refroidissement des produits. Dans une laiterie conventionnelle, les besoins en chauffage sont traditionnellement couverts par des chaudières à combustibles fossiles, tandis que la demande de refroidissement est couverte par un système frigorifique distinct. Les besoins en combustibles fossiles pourraient être supprimés en intégrant une pompe à chaleur industrielle capable d'assurer à la fois les processus de chauffage et de refroidissement.
Une étude de cas récente a étudié la consommation énergétique et les performances du système de pompe à chaleur entièrement intégré d’une nouvelle laiterie à Bergen, en Norvège. [1] Pour cette laiterie, la commune a reçu le prix 2019 de la ville de l’année dans la catégorie « DecarbIndustry », par l’Association européenne des pompes à chaleur (EHPA). [2] À la connaissance des auteurs, cette laiterie norvégienne est la première au monde à fonctionner sans combustible fossile ni chauffage électrique direct.
Description du système intégré de pompe à chaleur
6000 m2 de panneaux solaires photovoltaïques sont installés sur le toit de la laiterie, produisant environ 0,5 GWh d’électricité par an. Les refroidisseurs à ammoniac assurent le refroidissement du bâtiment et l’entreposage frigorifique. La laiterie utilise l’excédent de chaleur des processus de refroidissement pour générer de la chaleur exploitable à différentes températures (40 °C, 67 °C et 95 °C). La figure ci-dessous illustre le système intégré de chauffage et de refroidissement de la laiterie, qui comprend trois systèmes de pompe à chaleur distincts et six niveaux de température prévus pour les différents processus de production (pasteurisateurs, zone de remplissage et collecte du lait).
Les systèmes de pompe à chaleur sont conçus pour répondre à la quasi-totalité des besoins de refroidissement et de chauffage de la laiterie, un refroidisseur de fluide atmosphérique sec, le chauffage électrique et le chauffage urbain servant de sources d’appoint. Le tableau 1 présente un aperçu détaillé des systèmes de pompe à chaleur installés.
Tableau 1. Présentation des systèmes de pompe à chaleur installés. [1]
|
Systèmes |
Frigorigène |
Nombre d’unités |
Source de chaleur |
Temperature du puits thermique |
Puissance totale |
|---|---|---|---|---|---|
|
Refroidisseurs |
NH3 |
3 | 4 °C / −1.5 °C | 20 °C / 40 °C | 2400 kW (cooling) |
|
Pompes à chaleur à l’ammoniac |
NH3 |
2 | 40 °C / 20 °C | 60 °C / 67 °C | 1577 kW (heating) |
|
Pompe à chaleur hybride à absorption/ compression |
NH3-H2O |
1 | 67 °C / 60 °C | 73 °C / 95 °C | 940 kW (heating) |
Performance du système intégré de pompe à chaleur
Les auteurs ont évalué la performance du système à l’aide des données de fonctionnement disponibles pendant une semaine entre le 10 et le 17 février 2020. Afin de répondre aux besoins de refroidissement des bâtiments et des entrepôts frigorifiques, les refroidisseurs ont fonctionné en continu tout au long de la semaine. Le tableau 2 présente les données de performance obtenues pour chaque élément du système intégré. La performance globale atteinte par le système intégré était une valeur de COP de 4,1 sur une semaine.
Tableau 2. Données de performance des systèmes de pompe à chaleur sur une semaine. [1]
| Systèmes |
Chaleur fournie [MWh] |
Consommation d’électricité [MWh] |
COP | COP de Carnot |
Rendement de Carnot [%] |
|---|---|---|---|---|---|
|
Refroidisseurs |
70,4 | 16,7 | 4,2 | 7,7 | 55% |
|
Pompes à chaleur à l’ammoniac |
105,9 | 20,1 | 5,3 | 8,1 | 65% |
|
Pompe à chaleur hybride à absorption/ compression |
69,2 | 11,7 | 5,9 | 11,2 | 53% |
Consommation d’énergie du système intégré de pompe à chaleur
Mise en service en 2018, la nouvelle laiterie de Bergen, en Norvège, remplace une ancienne installation située à Minde, en Norvège, dont la consommation énergétique annuelle était de 0,24 kWh l−1 pour l’année 2015.
En utilisant des données d’exploitation disponibles sur une semaine en février 2020, les auteurs ont effectué une analyse énergétique de la nouvelle laiterie. Leurs résultats ont montré une consommation d’énergie spécifique de 0,22 kWh l−1 pour la semaine étudiée, ce qui suggère que la nouvelle laiterie a obtenu une meilleure moyenne annuelle que l’ancienne installation. L’analyse énergétique a révélé que 33,0 % de toutes les sources d’énergie de la nouvelle laiterie provenaient soit de la récupération de chaleur résiduelle, soit de l’énergie solaire, tandis que le système a atteint un taux de récupération de chaleur résiduelle de plus de 95 %. En outre, la nouvelle laiterie a réalisé des économies d’énergie externes pouvant atteindre 37,9 %. Les auteurs ont suggéré que, selon les scénarios, des réductions des émissions de gaz à effet de serre de 23,2 % à 91,7 % pourraient être réalisées.
Sources
[1] Ahrens, M. U., Foslie, S. S., Moen, O. M., Bantle, M., & Eikevik, T. M. (2021). Integrated high temperature heat pumps and thermal storage tanks for combined heating and cooling in the industry. Applied Thermal Engineering, 116731. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.116731