Méthodologie du calcul des consommations d'énergie
Principe de calcul des consommations des trois vecteurs énergétiques
Le cycle de vie de production de l'éthanol consomme de l'énergie sous différentes formes de vecteurs (Figure 4.1) :
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le gazole ou diesel pour les camions et tracteurs
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l'électricité pour les pompes et moteurs
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le gaz naturel pour l'apport de chaleur destinée au chauffage ou à l'évaporation de milieux
Pour les procédés industriels de transformation d'agroressources, les quantités d'énergie électrique consommées par les moteurs et pompes sont généralement très inférieures aux quantités d'énergie thermique nécessaires pour chauffer et évaporer. En conséquence, vous utiliserez deux approches différentes pour l'évaluation des consommations énergétiques :
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un calcul simplifié de la consommation d'électricité à partir d'ordres de grandeur des consommations électriques des pompes et moteurs composant les équipements
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un calcul plus précis des consommations de chaleur, faisant intervenir des grandeurs thermiques comme les capacités calorifiques, les chaleurs de changement de phase ou les chaleurs de combustion
Dans cette étude, les consommations des trois vecteurs énergétiques sont évaluées de la manière suivante :
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consommation de gazole par les tracteurs et camions :
Elle est calculée à partir des données sur la consommation de gazole au niveau de la ferme (par ha) et des camions (par km et tonne transportée)
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consommation d'électricité pour moteurs, pompes et tour de refroidissement d'eau :
Elle est calculée, d'une manière simplifiée, à partir des données sur :
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la consommation d'électricité à la ferme, exprimée par ha de culture
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les consommations individuelles des opérations unitaires, exprimées par tonne ou kg de matière traitée
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consommation de gaz naturel pour l'apport de chaleur :
Elle est calculée à partir d'une évaluation des quantités de chaleur et des consommations de vapeur (utilisation de chaudières à gaz) nécessaires pour les opérations de chauffage, d'évaporation et de séchage. La méthode est détaillée dans la suite.
Consommation de chaleur et de vapeur pour le chauffage de fluides ou solides
Soit m en kg la masse de fluide ou de solide à chauffer d'une température initiale T0 à une température finale T1
Calcul de la quantité de chaleur nécessaire
Elle est calculée en utilisant les enthalpies qui expriment :
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le contenu de chaleur par kg de fluide ou solide : Enthalpie massique H/kg en J/kg
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le contenu de chaleur du fluide ou solide : Enthalpie H = m . H/kg en J (4.1)
A partir d'un bilan chaleur, la quantité de chaleur Q en J nécessaire pour chauffer le fluide ou solide d'une température T0 à une température T1 est alors donnée par les relations :
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Q = H1 - H0 (4.2)
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Q = m . ( H1/ kg - H0/ kg )
Si le chauffage se fait sans changement de phase (pas d'évaporation), la quantité de chaleur Q est calculée par :
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Q = m . Cp . ( T1 - T0 ) (4.3)
Cp étant la capacité calorifique du solide ou du fluide
Calcul de la quantité de vapeur consommée
La chaleur de chauffage nécessaire est apportée par la condensation de vapeur. Si Hv/kg est l'enthalpie par kg de vapeur à la température de la vapeur, et He/kg l'enthalpie d'eau à la température de la vapeur condensée, la quantité de chaleur Qve/kg apportée par la condensation d'un kg de vapeur est donnée par la relation :
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Qve/kg = (Hv/kg - He/kg) (4.4)
et la quantité mv de vapeur nécessaire, en kg, pour apporter la quantité de chaleur de chauffage Q par la relation :
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mv = Q / Qve/kg (4.5)
Consommation d'eau de refroidissement
Pour refroidir une masse m (kg) de fluide ou solide de T0 à T1, la quantité de chaleur Q à éliminer est donnée par :
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Q = m . Cp . ( T0 - T1 ) (4.6)
Si la chaleur est éliminée par un circuit d'eau de refroidissement, avec Te1 la température de l'eau froide d'entrée et Te2 température de l'eau à la sortie, la quantité de chaleur Qer/kg éliminée par l'utilisation d'un kg d'eau de refroidissement est donnée par :
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Qer/kg = Cpe . ( Te2 - Te1 ) (4.7)
et la quantité d'eau de refroidissement nécessaire me pour éliminer la quantité de chaleur Q par :
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me = Q / Qer/kg (4.8)
Evaluation de l'enthalpie massique de l'eau liquide ou vapeur
Eau liquide
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à T=0°C (référence) : He/kg = 0 en J/kg
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à T°C : He/kg = Cpe . T en J/kg (4.9)
Eau vapeur
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à T=0°C : Hv/kg = 2500 en kJ/kg
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à T°C : Hv/kg = 2500 + Cpv . T en kJ/kg (4.10)
Cpe et Cpv les capacités calorifiques de l'eau liquide et vapeur, et 2500 kJ/kg la chaleur d'évaporation de l'eau à 0°C
Capacité calorifique et enthalpie de mélanges à plusieurs composants
Deux méthodes sont utilisées pour le calcul des quantités de chaleur de chauffage ou de refroidissement dans le cas de milieux à plusieurs composants.
Méthode du Cp fonction de la composition de la fraction massique
pour une solution de sucre à une fraction massique xs
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Cp (kJ/kg.°C) = 4,19 - 2,35 . xs (4.11)
pour les pulpes de betterave à une fraction massique d'eau xe
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Cp (kJ/kg.°C) = 1,5 + 2,7 . xe (4.12)
Méthode du calcul de l'enthalpie globale
L'enthalpie globale d'un système avec deux composants A et B est égale à la somme des enthalpies des composants et est calculée par les relations :
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H = mA . HA/kg + mB . HB/kg (4.13)
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H/kg = xA . HA/kg + xB . HB/kg (4.14)
Relations utilisées pour le calcul
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de l'enthalpie massique d'un mélange eau éthanol à une fraction massique d'éthanol xeth
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H/kg = xeth Heth/kg + (1- xeth) . He/kg (4.15)
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de l'enthalpie massique de l'air à une humidité Y kg eau/kg air sec
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à T°C : Ha/kg = Cpa . T + ( 2500 + Cpv . T ) . Y en kJ/kg (4.16)
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