Platforme pour l'industrie agroalimentaire et des boissons
La transition vers une production de chaleur neutre en carbone n’est pas un parcours sans embûches. Il existe tout un éventail de technologies disponibles, mais chacune a ses propres limites physiques et économiques. C’est pourquoi l’avenir ne réside pas dans une solution unique, mais dans une combinaison flexible de technologies. La flexibilité sera véritablement le mot clé, surtout si l’on considère la volatilité actuelle du marché de l’énergie. Tantôt le prix de l’électricité atteint des sommets, tantôt il devient négatif. Les entreprises qui adaptent leur production de chaleur à cette situation en tirent un avantage considérable. Belgian Boiler Company se fera un plaisir de vous aider à déterminer la meilleure voie vers une production de chaleur pérenne.
Lorsqu’une entreprise investit dans ses propres panneaux solaires ou éoliennes, l’e-boiler (chaudière électrique) est le moyen idéal pour transformer l’électricité excédentaire en vapeur. Cela permet d’augmenter l’autoconsommation et d’éviter d’injecter de l’électricité dans le réseau à des tarifs défavorables. À l’inverse, le « peak shaving » (écrêtement des pointes) fait également partie des options, cette technique consistant à ne pas utiliser l’e-boiler lorsque le réseau est trop sollicité. L’e-boiler aide à maîtriser les tarifs de capacité du raccordement au réseau. Ces mesures « en amont » ne dépendent que de vous : à l’aide de logiciels et de systèmes de commande, les applications électriques telles qu’un e-boiler sont activées ou désactivées en fonction de vos propres besoins de production et de consommation.
C’est toutefois « en aval » que se situent les principaux bénéfices. En mettant l’e-boiler à la disposition du marché de l’énergie par l’intermédiaire d’un fournisseur de services d’équilibrage (Balancing Service Provider, BSP), l’entreprise peut contribuer à la stabilisation du réseau électrique. En cas d’excédent d’électricité, le gestionnaire de réseau Elia recherche des gros consommateurs capables d’augmenter leur consommation à court terme. C’est ce qu’on appelle l’aFRR (automatic Frequency Restoration Reserve) ou réserve de restauration de la fréquence automatique. Capable de réagir et de s’ajuster en quelques secondes, l’e-boiler est un outil idéal pour ce marché. Les rémunérations versées par Elia à cet effet sont substantielles et réduisent considérablement le délai de rentabilité de l’ensemble de l’installation. Outre l’équilibrage du réseau, nous assistons également à l’émergence de la gestion de la congestion afin d’éviter la surcharge des transformateurs. Si les entreprises peuvent basculer de manière flexible entre l’électricité (par exemple, les e-boilers) et d’autres sources d’énergie (telles que le gaz ou la cogénération), cela peut déboucher sur des contrats de raccordement flexibles financièrement intéressants. Ceux-ci sont en plein développement.
Lors du choix d’un type d’e-boiler, la puissance est bien sûr le premier critère à prendre en compte. La possibilité d’intégration au système est tout aussi importante. Quatre paramètres sont déterminants pour l’intégration dans une chaufferie : le raccordement électrique disponible, la qualité de l’eau, la modulation et la performance.
Les e-boilers peuvent être classés en deux grands groupes. D’une part, il y a les chaudières à résistance. Ces chaudières à vapeur ou à eau chaude utilisent des résistances électriques pour chauffer l’eau et, si nécessaire, produire de la vapeur. Ces chaudières fonctionnent presque exclusivement en basse tension (triphasé, 400 V – 690 V) et ont donc une puissance limitée, bien qu’avec des applications allant jusqu’à 5,5 MW (ce qui correspond à 7,5 tonnes/h de vapeur), elles couvrent déjà un segment de marché intéressant. D’autre part, il existe les chaudières à électrodes. Ces chaudières fonctionnent en moyenne tension (6 kV – 36 kV). Selon ce principe, une tension est générée entre deux électrodes immergées, l’eau elle-même servant de milieu conducteur. La résistance électrique de l’eau assure le chauffage et la formation éventuelle de vapeur. Cette technologie permet des applications allant jusqu’à 90 MWe. Les chaudières à basse tension présentent l’avantage que ce niveau de tension est couramment disponible dans l’industrie, mais la puissance électrique requise ne doit pas être sous-estimée. Une chaudière électrique a besoin d’environ 650 kWe pour produire 1 000 kg/h de vapeur. De plus, la basse tension présente l’inconvénient d’une augmentation rapide de la section des câbles. Pour des puissances supérieures à 6 MW, il devient difficile de justifier économiquement le maintien de la basse tension. Il convient alors d’envisager de passer à des chaudières à moyenne tension. Des niveaux de tension plus élevés permettent d’utiliser des sections de câbles plus petites pour une puissance identique.
De surcroît, ces installations ne sont pas affectées par les harmoniques ni par les déphasages. Cependant, aujourd’hui, toutes les PME sont loin d’avoir facilement accès au réseau de moyenne tension.
Les chaufferies actuelles, équipées de chaudières à vapeur au gaz, telles que les chaudières à tubes de fumée, sont déjà conformes à la norme EN12953-10 qui définit la qualité de l’eau pour les chaudières à tubes de fumée. Cette norme autorise, en fonction de la qualité de l’eau d’alimentation, une conductivité de l’eau de chaudière pouvant atteindre 6 000 µS/cm à 25 °C. Par ailleurs, lors du traitement de l’eau de chaudière, on utilise souvent un dosage chimique supplémentaire pour capter l’oxygène résiduel, contrôler les valeurs de pH et protéger les conduites et la chaudière contre la corrosion. Si un e-boiler devait être installé à côté d’une chaudière à gaz existante pour fournir de la vapeur sur le même réseau de vapeur et utiliser l’eau d’alimentation provenant du même système, la compatibilité est alors un facteur important. À cet égard, une chaudière à résistance présente un avantage majeur, car ces chaudières peuvent être utilisées sans aucune adaptation dans des chaufferies existantes avec le même traitement de l’eau que les chaudières à gaz classiques. Pour les chaudières à électrodes, la situation est plus nuancée. Il existe deux technologies courantes : la chaudière à électrodes immergées et la chaudière à électrodes de type jet. Selon le constructeur, les chaudières à électrodes immergées nécessitent des conductivités faibles à très faibles, tandis que les chaudières de type jet exigent des valeurs plus élevées.
Pour tirer pleinement parti de la flexibilité d’un e-boiler, une large plage de modulation, de préférence de 0 à 100 %, est essentielle. La plupart des e-boilers disposent d’une large plage de modulation. En tout cas, celle-ci est souvent supérieure à celle des chaudières à gaz classiques. Les chaudières électriques à résistance simples fonctionnent avec des relais de commutation qui commandent la puissance de la chaudière par paliers. Les paliers typiques sont alors de 50 ou 100 kW. Pour des applications simples, cela ne pose pas de problème, mais si vous souhaitez que la chaudière suive le plus fidèlement possible un profil de charge imposé, cela devient difficile. Il est alors préférable d’utiliser un thyristor capable d’ajuster la puissance de manière entièrement modulable. Les chaudières à électrode de type jet ont l’avantage d’être également modulables à 100 %. Les chaudières à électrodes immergées, en revanche, posent un problème à de faibles charges inférieures à 10 %. Il devient alors difficile de fonctionner à charge nulle sans désactiver le disjoncteur principal. Malheureusement, une fréquence de commutation élevée a un effet néfaste sur la durée de vie de ce composant.
Avec un rendement de 99,5 % ou plus, l’énergie électrique d’un e-boiler est presque entièrement convertie en énergie thermique. De plus, ces installations sont sans émissions : elles ne produisent ni CO₂, ni NOx nocifs, ni particules fines si l’électricité est d’origine renouvelable. De plus, l’absence de brûleur, d’alimentation en combustible et de cheminée réduit considérablement les coûts d’entretien par rapport à une chaudière à gaz classique. Il n’y a pas d’usure mécanique du ventilateur du brûleur, pas d’encrassement par la suie et, surtout, l’installation est beaucoup plus silencieuse.
Pour répondre pleinement aux exigences de flexibilité, une chaufferie doit être de conception hybride. Un bel exemple de ce type de projet a récemment été réalisé par Belgian Boiler Company chez un leader mondial de la production de produits de boulangerie. Lors de la conception d’une nouvelle chaufferie, BBC a installé, en plus d’une chaudière à gaz classique couvrant l’ensemble de la consommation de vapeur, un e-boiler basse tension de Bosch. Grâce à une intégration intelligente des deux chaudières, l’installation peut fonctionner selon différents modes et le rendement de l’e-boiler est maximisé.
Mode 1 : Maître-esclave classique. L’accent est mis ici sur la sécurité de la production. L’e-boiler vient en renfort de la chaudière à gaz en cas de pics de demande ou supporte la charge de base lorsque cela est techniquement souhaitable.
Mode 2 : Autoconsommation. L’e-boiler utilise de préférence l’électricité produite sur place à partir de sources d’énergie renouvelables.
Mode 3 : Tarifs énergétiques variables. La régulation s’effectue entièrement sur la base des prix Day-ahead du marché de l’électricité.
Mode 4 : Équilibrage du réseau. Une partie ou la totalité de la capacité de l’e-boiler est réservée aux signaux aFRR ; la chaudière à gaz assure la production de vapeur, mais dès que l’e-boiler est piloté par le gestionnaire de réseau, celui-ci prend le relais et la capacité de la chaudière à gaz est réduite.
Cette solution intégrale n’a été possible que grâce à la combinaison des technologies appropriées. Pour la chaudière à gaz, le choix s’est porté sur une chaudière à vapeur UL-S de Bosch d’une capacité de 9 000 kg/h, équipée d’un économiseur intégré et d’un refroidisseur d’eau d’alimentation. Cela a permis d’obtenir un rendement de la chaudière supérieur à 96 %. Parallèlement, une modulation du brûleur supérieure à 1 sur 8 a été réalisée, ce qui est important pour garantir une régulation stable même en cas de faible consommation. À côté de la chaudière à gaz, BBC a installé une chaudière à vapeur électrique ELSB 5 d’une puissance électrique d’environ 3,3 MW et d’une production de vapeur de 5 000 kg/h. Un thyristor intégré dans l’armoire de puissance de cette chaudière permet de réguler la puissance de manière entièrement modulable entre 0 et 100 % afin de maîtriser parfaitement la charge électrique. Cette chaufferie hybride garantit aujourd’hui la production de vapeur tout en permettant une forte réduction des émissions de CO2 et une optimisation des coûts énergétiques.
