Durabilité et rendement, deux éléments clés dans le domaine industriel. Au cœur des principaux défis que fabricants et opérateurs de systèmes doivent relever, il s’agit aujourd’hui de critères incontournables. Pourtant, la génération d’air process nécessite une quantité d’énergie relativement élevée. Au cours d’un tel processus, une grande quantité d’énergie thermique, ou de chaleur industrielle, est libérée. Celle-ci est produite non seulement dans le flux d’air, mais aussi sous le capot d’insonorisation, en raison des pertes de chaleur inhérentes au fonctionnement du moteur, du silencieux et du compresseur. Dans le passé, cette énergie était souvent inutilisée.
En tant que fabricant de compresseurs hautes performances, AERZEN développe depuis longtemps des solutions innovantes pour profiter de l’énergie thermique pour des usages pratiques. La société peut ainsi offrir aux exploitants une technologie d'air comprimé moderne ainsi que des systèmes parfaitement dimensionnés pour la récupération de chaleur à partir d’une source unique
Le potentiel d’économies résultant de l’installation d’un système de récupération de chaleur est considérable : jusqu’à 85 % de l’énergie thermique générée par une machine peut être facilement reconvertie pour d’autres opérations, à l’instar du chauffage de l’eau, de processus de séchage ou du préchauffage de l’air de brûleurs. Cela permet en outre d’éviter les pertes énergétiques, telles que celles causées par la ventilation de l’air à l’extérieur. La récupération de chaleur est donc synonyme d’une protection énergétique et économe en ressources.
L’investissement pour un système de récupération de chaleur est relativement faible et rapidement compensé par les économies d’énergie qu’il procure. De même, ces systèmes vont permettre de moderniser et d’optimiser des usines anciennes à moindres frais, dans des délais courts. AERZEN se réjouit de réaliser des solutions individuelles pour chaque client. La récupération de chaleur peut être réalisée pour tout un panel de processus et de domaines :
L’objectif de chaque concepteur d’usine est de réduire les coûts en optimisant au maximum l’énergie nécessaire dans un process. Dans le domaine de la production d’air comprimé, la récupération de chaleur constitue un moyen simple de relever ce défi. Mais pour comprendre pourquoi un compresseur génère de l’énergie thermique et comment utiliser celle-ci, il convient d’examiner le principe de son fonctionnement :
La quantité considérable de chaleur dégagée par une machine de production d’air comprimé n'a aucune influence sur son rendement. Il s’agit d’une conséquence de la compression d’air process. Pendant longtemps, les exploitants n’avaient pas conscience du potentiel énergétique. On considère que la chaleur est générée de deux manières différentes : d’une part, via la compression d’un fluide au sein d’une installation, et d’autre part, via les pertes de chaleur (air de refroidissement) issues du moteur, du bloc, du silencieux et de l’air à la sortie du réfrigérant d’huile.
Les compresseurs à vis et les surpresseurs à pistons rotatifs compriment l’air ambiant aspiré au moyen de vis ou de pistons rotatifs. Cette méthode de compression de l’air s’appuie sur un processus thermodynamique qui va faire monter en température le fluide aspiré, par exemple de l’air ou du gaz. Du point de vue physique, le processus convertit l’énergie électrique en énergie thermique. L’usage de compresseurs pour transporter le gaz process va générer des températures pouvant atteindre 280°C.
L’approche logique pour récupérer la chaleur de l’air process consiste à utiliser des échangeurs thermiques ; lorsque de tels équipements sont intégrés au circuit du flux d’air, un fluide à véhiculer tel que l’eau peut être chauffé à une température prédéfinie, éliminant ainsi les calories du flux d’air. L’eau ainsi chauffée peut être réutilisée en guise d’eau de process ou de service ou réinjectée dans le système de chauffage central. AERZEN propose des échangeurs thermiques conçus avec précision dédiés à ces applications, qui convertissent la quantité maximale de chaleur avec une perte de charge minimale.
Sous le capot d’insonorisation du groupe, le rayonnement du moteur, l’étage compresseur, l’étage du piston rotatif, la tuyauterie et le silencieux génèrent une énergie calorifique additionnelle. Cet air de refroidissement fortement réchauffé peut également être transformé pour des applications pratiques. La chaleur peut être transportée dans les conduits d’évacuation d’air intégrés à l’installation puis transportée sous forme d’air de chauffage vers les locaux ou ateliers attenants. Un échappement à température contrôlée se charge de réguler le débit d’air, pour obtenir une température ambiante uniforme. Si par exemple en été il y a pas debesoin de chauffage, l’excès de chaleur peut être acheminé vers l’extérieur.
Le traitement des eaux usées constitue un domaine d’activité clé d’Aerzener Maschinenfabrik. L’entreprise familiale est positionnée comme un acteur mondial dans ce domaine, développe continuellement des solutions tout-en-un économes en ressources et durables, et ce pour ses clients dans le monde entier. Ces solutions incluent d’une part la sélection technologique optimale, et, d’autre part, des concepts de récupération de chaleur. Dans les stations d’épuration, les installations sont normalement utilisées pour ventiler les bassins d’aération. Dans ce processus, des surpresseurs à pistons rotatifs, turbocompresseurs et compresseurs AERZEN opèrent soit conjointement, soit individuellement, et génèrent un flux d’air d’une pression approximative d’1 bar. Le flux d’air est refoulé dans les bassins d’aération (la « biologie » de l’installation). C’est l’oxygène de l’air qui assume un rôle déterminant dans une étape cruciale du processus : le traitement biologique des eaux usées.
Mesurée en termes de coûts énergétiques totaux pour une station d’épuration, la production de flux d’air représente naturellement le plus fort pourcentage. Le potentiel d’économies dans ce domaine est donc particulièrement fort. Et les possibilités sont vastes : un seul et même compresseur d’une puissance de 22 kW peut répondre aux besoins de chauffage complets d’une maison individuelle.
Les nombreuses success stories d'Aerzener Maschinenfabrik montrent comment le bilan énergétique d'une station d'épuration peut être nettement amélioré en mettant en œuvre des solutions de récupération de chaleur et en choisissant la technologie de machine optimale pour chaque application. Voici quelques exemples :
Autre exemple de système très performant de récupération de chaleur en coopération avec AERZEN : la station d’épuration d’Essen-Kupferdreh. L’usine utilise quatre surpresseurs à pistons rotatifs pour alimenter les bassins d’aération en air. Grâce à l’installation d’un échangeur thermique à faisceau tubulaire, l’usine peut désormais, de manière simple et efficace, récupérer les pertes calorifiques des surpresseurs. L’énergie convertie du système délivre ainsi de l’énergie thermique au système de chauffage et au réservoir tampon pour l’eau chaude. Les économies en résultant sont colossales : la seule récupération de chaleur permet à l’usine d’Essen-Kupferdreh d’économiser plus de 30'000 euros par an.
En recourant à un échangeur thermique, la station d’épuration de Wertach en Bavière a pu renoncer à l’installation d’un nouveau brûleur pour chauffer l’eau de chaudière. À Wertach, deux surpresseurs Delta Blower en vitesses fixes sont utilisés pour la charge de base. En cas de besoins supérieures, par exemple pendant les saisons accueillant les randonneurs ou skieurs en grand nombre, on va pouvoir activer un troisième surpresseur à vitesse variable.
L’air chaud à 68°C généré dans le cadre du processus de compression de l'air est refroidi à moins de 30°C par un échangeur thermique air-eau à plaques. Le delta d'environ 40°C peut alors être utilisé pour stocker l’eau de chaudière du système de chauffage. L’échangeur thermique intégré au système est équipé de profils optimisés pour les flux ne générant presque aucune perte de charge dans le flux d’air process.
Sans besoin de chauffage, par exemple en période estivale, le système peut s’éteindre en toute facilité. Une soupape mécanique montée dans la tuyauterie permet de faire cheminer tout ou partie de l’air directement vers les bassins d’aération, sans avoir à traverser l’échangeur thermique, ce qui permet à l’opérateur de contrôler son système en fonction de la demande et de récupérer la chaleur à tout moment. A Wertach, le système de récupération de chaleur a permis d’économiser près de 1850 litres de fioul par an. Pour de plus amples d’informations sur ce sujet, vous pouvez consulter l’article «Chauffer efficacement avec des pertes de chaleur» dans notre magazine client.
C’est pour se conformer aux exigences environnementales que la station d’épuration de Filderstadt-Bonlanden, construite dans les années 1960 dans le Land allemand de Bade-Wurtemberg, a mis en place quatre compresseurs à vis Delta Hybrid associés à un système de récupération de chaleur ; le projet a été réalisé dans le cadre d’une étude de modernisation et de rénovation en coopération avec AERZEN.
La combinaison des différentes machines fournit 100 % des volumes d’air comprimé nécessaires, sans huile ni matériau absorbant, pour garantir les opérations d’aération des bassins d’aération, selon un protocole tout à fait écoénergétique. Ce fonctionnement sans huile ni matériau absorbant est non seulement synonyme d’économies de maintenance, mais il assure aussi une plus grande fiabilité des processus au sein de l’usine. Une fois le projet de modernisation bouclé, le système a commencé à faire cheminer l’air ambiant préchauffé en environnement machine, via un système d’extraction, avant de l’insuffler vers d’autres locaux techniques pour chauffer ces derniers.
Mais là où les plus grosses économies ont été enregistrées, c’est après avoir équipé un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire sur la canalisation principale du système. Au sein de l’échangeur thermique, la chaleur est extirpée du flux d’air process puis utilisée pour chauffer l’eau. Ce système a concrètement permis d’éliminer entièrement les coûts de chauffage d’eau. Pour en savoir plus sur la récupération de chaleur à Filderstadt-Bonlanden, n’hésitez pas à consulter notre magazine client et l’article dédié «Chaque kilowatt utilisé de manière optimale».
Le transport pneumatique permet le transport de marchandises en vrac telles que la farine, la poudre, le sable ou le ciment, à l’aide de l’air. Il s’agit d’une technique utilisée dans de nombreux secteurs industriels, de la transformation des aliments, des produits, des produits chimiques et d’autres matériaux en vrac. Pour générer le flux d’air nécessaire, on va souvent faire appel à des compresseurs, des surpresseurs et des compresseurs à vis de marque AERZEN. Des températures de sortie d'air très élevées peuvent être atteintes au cours du processus.
Dans le cadre d’un processus de compression, l’air ambiant, qui se situe normalement à env. 20°C, est aspiré puis chemine pour atteindre en sortie des températures maximales de 280°C, scénario caractéristique d’une application équipée de compresseurs à vis. Pour éviter un endommagement des produits en vrac lié à des températures élevées, il est souvent impératif de refroidir l’air process. Un échangeur thermique va alors intervenir pour évacuer la chaleur de l’air comprimé et la réinjecter pour des applications de chauffage, de chauffage de l’eau ou de chauffage industriel. Selon le concept de l’installation, la perte de charge provoquée par l’installation d’un échangeur thermique est de l’ordre de 1 à 3 % par rapport à la pression d’aspiration absolue dans le réfrigérant final. L’augmentation de puissance d’entraînement du moteur qui en résulte est faible par rapport à la quantité d’énergie économisée par l’échangeur thermique.
Il convient de tenir compte de plusieurs critères avant de décider d’investir dans une solution de récupération de chaleur.
Pour commencer, il faudra étudier le contexte structurel. Il est important de positionner la source de chaleur perdue et le dissipateur thermique à proximité l’un de l’autre. Si ces deux composants étaient trop distants, les plans d’installation devraient impérativement tenir compte des pertes d’énergie dues au transport et du surcoût de tuyauterie qui en résulte. De même, si le transport ou le stockage de ces calories est complexe, il faudra réfléchir aux coûts d’investissement que cela implique. De plus, pour qu’une installation de récupération de chaleur s’avère rentable, il faut avoir un Δ T d’au moins 5 à 10 k entre la source de chaleur perdue de l’installation et le dissipateur thermique.
De manière générale, on peut avancer que les systèmes de récupération de chaleur sont particulièrement bénéfiques lorsqu’ils viennent s’intégrer au sein d’installations majeures et de processus de production 24h/24. Ajoutons qu’un système de récupération de chaleur peut s’avérer tout à fait rentable dans les scénarios où la chaleur perdue est moindre, mais la charge opérationnelle plus élevée. En principe, la récupération de chaleur est d’autant plus profitable que les installations fonctionnent en continu.
La grande quantité d’énergie requise pour générer de l’air comprimé peut être récupérée et utilisée pour différentes applications. Les technologies et l’expertise d’AERZEN accompagnent les clients pour mettre sur pied de nouveaux projets dans les domaines du traitement des eaux usées et du transport pneumatique afin d’utiliser l’énergie thermique produite pour chauffer des locaux, des halls ou de l’eau (eau de process ou de service), mais aussi dans le cadre d’étapes de process de production. Beaucoup d’applications sont envisageables.
Mais il existe aussi des moyens tout à fait simples de moderniser des usines, afin d’en augmenter le rendement. AERZEN propose à ses clients un large éventail de services pour répondre à ces besoins, notamment un service d’information téléphonique 24/7, un diagnostic des machines, et sans oublier l’ AERaudit, où des experts vont élaborer pour vous un plan complet de modernisation d’installation.
De plus, à l’aide du programme de calcul de ventilation de salle machines d’AERZEN, les ingénieurs et les propriétaires de stations d’épuration peuvent déterminer eux-mêmes un échangeur thermique adapté aux spécificités de leur(s) installation(s).
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