Les microturbines au gaz (GMT) se sont avérées efficaces comme systèmes de cogénération dans l'industrie de la terre cuite.
Sur la feuille de route vers une production de briques sans CO2 jusqu'en 2050 [1], elles peuvent contribuer à franchir une étape importante. En raison de leurs caractéristiques technologiques spécifiques, les domaines d'application optimaux se traduisent notamment par l'utilisation directe des gaz d'échappement.
Les conditions-cadres actuelles de la loi allemande sur la production combinée de chaleur et d'électricité 2020 (KWKG 2020) et la loi de 2017 sur les ressources énergétiques renouvelables (EEG) pour la fourniture d'électricité en usine montrent des concepts d'installations très lucratifs. La longue durée de vie de la centrale et la répartition des coûts entre les sources d'énergie gaz et électricité se traduisent par des délais de récupération courts.
1 Conception et exploitation de microturbines à gaz
Les microturbines à gaz (GMT) sont des turbines à gaz compactes à grande vitesse d'une puissance électrique allant jusqu'à 250 kW environ. Ce sont des turbines à arbre unique avec un compresseur radial à un étage ainsi qu'une turbine de puissance radiale. L'aimant permanent du générateur est également fixé en permanence à cet arbre (»1). La seule partie mobile du GMT est l'arbre traversant avec le générateur, le compresseur et la roue de turbine. L'air comprimé et par conséquent préchauffé circule dans le récupérateur et est ensuite introduit dans la chambre de combustion, où il est d'abord mélangé avec du carburant et brûlé à des températures d'environ 850 ° C avec un excès d'air élevé. Les gaz de combustion chauds sont ensuite détendus dans la turbine, entraînant le compresseur et le générateur. Le récupérateur améliore le rendement électrique. À des vitesses allant jusqu'à 96 000 tr / min, un courant alternatif haute fréquence est généré, redressé dans le dispositif électronique de puissance puis transformé en courant alternatif conforme au réseau. Le «réducteur électronique» permet une régulation très rapide de la puissance d'environ 10% à 100% de la puissance électrique en fonction de la vitesse. Les températures à l'intérieur de la turbine et dans les gaz d'échappement restent de ce fait relativement constantes. Pour cette raison, les GMT présentent des pertes d'efficacité relativement faibles en fonctionnement à charge partielle (»2).
La société Capstone est le principal fournisseur de la technologie des microturbines à gaz dans la gamme de puissance pertinente pour l'industrie de la brique et du carrelage. Les remarques suivantes se réfèrent aux applications dans lesquelles les GMT de ce fabricant sont utilisés. Le constructeur allemand Dürr Systems GmbH a fermé sa division GMT fin 2018. Les machines offrent une longue durée de vie de 80 000 heures de fonctionnement et un faible besoin de maintenance, essentiellement dû au palier à air. Il en résulte de longs intervalles de maintenance de 8 000 heures de fonctionnement jusqu'à ce que le remplacement des filtres à air devienne nécessaire, et de 48 000 heures de fonctionnement jusqu'au test de la «tête motrice» [2]. Des contrats de maintenance partiels et complets sont disponibles, qui sont beaucoup moins chers que ceux des centrales de cogénération à moteur, car les vidanges d'huile ne sont pas nécessaires.
1.1 Carburants conventionnels et renouvelables
Les GMT Capstone sont actuellement exploités au gaz naturel dans l'industrie de la brique et du carrelage. L'utilisation de carburants renouvelables, comme, par exemple, le biogaz, le gaz d'égout ou le gaz de décharge est déjà courante en dehors de l'industrie de la brique et du carrelage. Il est généralement possible d'utiliser des additions allant jusqu'à 20% en volume d'hydrogène et d'autres carburants provenant de centrales électriques au gaz disponibles à l'avenir.
1.2 Plages de puissance
D'après les analyses des usines, l'industrie des briques et des carreaux utilise un large éventail de puissances nominales et de modèles de microturbines à gaz (»3).
2 Applications potentielles en tant que centrales de cogénération dans l'industrie des tuiles et briques
L'efficacité énergétique et des ressources d'une briqueterie peut être considérablement améliorée si la valeur de l'énergie est prise en considération [3]. L'énergie en soi ne peut pas être perdue. La partie de grande valeur de l'énergie, l'exergie, par contre, peut être (»5).
Processus thermiques, par ex. Les applications de séchage dans l'industrie de la brique et des carreaux à un niveau de température de 300 ° C devraient donc être alimentées par la chaleur résiduelle de la production d'électricité. La partie exergétique de haute valeur chimiquement liée du gaz naturel avec des températures de combustion utilisables bien supérieures à 1 000 ° C peut être utilisée, par exemple, dans une microturbine à gaz et n'est pas perdue. Cela économise des ressources.
Dans l'industrie de la brique et des tuiles, avec sa demande continue simultanée d'électricité et de chaleur, il existe un potentiel de cogénération considérable pour les microturbines à gaz avec utilisation directe des gaz d'échappement. Les briqueteries ont une charge électrique de base considérable (souvent jusqu'à 300 kW), qui n'est pas réduite même le week-end: pour cette raison, les unités de cogénération sur la base de microturbines au gaz sont souvent utilisées exclusivement dans la pratique lucrative de remplacement puissance achetée.
Les procédés de cogénération doivent être conçus de manière à ce que la chaleur produite puisse être utilisée de manière appropriée. Les dissipateurs de chaleur dans les briqueteries ont fait l'objet d'un examen approfondi [4]. »6 montre les applications potentielles déterminées pour la chaleur résiduelle de la cogénération. L'utilisation de gaz d'échappement GMT sans huile avec une teneur en oxygène d'environ 18% en volume et de très faibles concentrations de substances nocives n'a aucun impact négatif sur les processus optimisés des consommateurs de chaleur chauffés au gaz naturel, comme, par exemple, les préchauffeurs et les sécheurs en l'industrie de la brique et du carrelage. Les caractéristiques des gaz d'échappement spécifiques aux microturbines à gaz avec de la chaleur produite en continu à haute température (environ 300 ° C) et la chaleur totale de cogénération dans le flux de gaz d'échappement sont un avantage crucial par rapport aux unités de cogénération fonctionnant sur la base d'un moteur à piston (»7).
Les éventuels consommateurs de chaleur continue doivent être déterminés spécifiquement pour chaque briqueterie afin que des données fiables soient disponibles pour la conception d'un GMT avec de longues périodes de service. Dans ce qui suit, les domaines d'application sélectionnés sont décrits plus en détail.
2.1 Réseau d'alimentation en énergie intégré du four tunnel / sécheur
Cet objectif déclaré d'un four tunnel thermiquement indépendant pour des raisons fondamentales liées à l'énergie n'a pas été atteint dans les installations existantes. Cependant, les fours tunnel optimisés démontrent déjà un dégagement de chaleur très réduit dans le réseau d'alimentation en énergie intégré. La chaleur alors en plus nécessaire pour le séchage est fournie au moyen de brûleurs à gaz naturel. L'utilisation directe des gaz d'échappement GMT réduit les besoins en brûleurs à gaz naturel (»8 et 9).
2.2 Chauffage du sas d'entrée du four
Le sas d'air à l'entrée d'un four remplit la fonction de préchauffeur et présente un besoin de chaleur correspondant à la chaleur d'échappement d'une microturbine au gaz C65. Les données de processus ne changent pas. Le brûleur installé avec une puissance thermique nominale de 360 kW reste inchangé.
2.3 Préchauffage de l'air de combustion
Le préchauffage de l'air de combustion dans les fours tunnels s'est propagé comme une possibilité efficace d'économie d'énergie pendant des décennies [5]. Dans la pratique, cependant, il existe un grand nombre d'usines dans lesquelles cela n'a pas été réalisé. Si aucune chaleur résiduelle utilisable n'est disponible dans l'installation, les gaz d'échappement des microturbines à gaz peuvent être utilisés directement. L'énergie thermique introduite avec l'air de combustion est utilisable à 100% dans le processus en aval. Les conditions optimales pour ce type d'utilisation directe des gaz d'échappement d'un GMT avec une puissance plus élevée sont offertes par des installations combinées de broyage et de séchage et des tours de pulvérisation (whitewares), comme le montrent les installations projetées.
2.4 Génération de vapeur
Si pour plastifier un matériau argileux, par ex. dans un dispositif d'alimentation à tamis circulaire, de la vapeur est nécessaire de manière relativement continue à un niveau de basse pression d'environ 3 bars, les gaz d'échappement chauds de la microturbine à gaz sont adaptés pour rendre cette vapeur disponible au moyen d'une chaudière à vapeur à récupération de chaleur incorporant un préchauffage de l'eau d'alimentation .
3 Raccordement électrique
Les chantiers de briqueterie ont souvent leurs propres transformateurs qui sont connectés au réseau moyenne tension de l'exploitant du réseau de sorte que le code de pratique VDE-AR-N-4110 s'applique généralement au raccordement et au fonctionnement en parallèle des centrales électriques connectées au réseau moyenne tension. . Les GMT produisent de l'électricité à un niveau de tension de 400 V, de sorte que les exigences techniques du code VDE-AR-N-4105 s'appliquent également. Une consultation précoce avec l'exploitant du réseau de distribution en ce qui concerne les exigences concrètes dans les cas individuels est donc fortement recommandée.
3.1 Gestion de l'injection et énergie d'équilibrage
Pour les centrales de cogénération d'une puissance électrique supérieure à 100 kW, la gestion de l'injection est obligatoire. Seule la puissance d'alimentation, c'est-à-dire la puissance qui quitte physiquement le réseau de l'usine en direction du réseau d'alimentation, peut être régulée [6]. Pour sécuriser le fonctionnement du réseau électrique, il faut une énergie d'équilibrage qui peut également être fournie par GMT dans une briqueterie. Dans les applications présentées, la production de chaleur est protégée de manière redondante. Les systèmes fonctionnent en continu à pleine charge et peuvent être arrêtés par télécommande au besoin pour servir d'énergie d'équilibrage électrique négative. Dans le même temps, il est également possible d'augmenter considérablement la production d'énergie d'équilibrage si la puissance thermique également réduite du processus de cogénération est remplacée par des registres de chauffage à commande électrique, par ex. dans le réseau d'alimentation en énergie intégré du séchoir.
4 Subvention des usines de cogénération conformément à la loi allemande sur la cogénération (KWKG) 2020 [7]
Le 14.08.2020, la loi CHP (KWKG) 2020 est entrée en vigueur en Allemagne. Les installations de taille inférieure à l'appel d'offres obligatoire (à partir de 1 MWélectrique) dans l'industrie de la brique et des carreaux reçoivent des subventions conformément à la loi sur la cogénération (KWKG) 2020 (»11). Le traitement différent de la consommation captive des entreprises est frappant. Les centrales de cogénération uniquement à une puissance électrique de 100 kW reçoivent des subventions pour la consommation captive. Sont privilégiées les entreprises à forte consommation d'électricité dont la consommation captive est encore éligible à des subventions, même dans le cas de puissances supérieures. La condition préalable à la subvention est l'approbation de l'usine par l'Office fédéral allemand de l'économie et du contrôle des exportations (BAFA) en tant qu'usine hautement efficace. La feuille de travail AGFW 308 [8] règle les détails. La lettre d'admission est présentée à l'exploitant du réseau, qui est responsable du paiement des subventions CHP.
Pour les installations jusqu'à 50 kWélectr., L'admission simplifiée de l'installation de cogénération au BAFA est possible. Par exemple, un C200 GMT avec une puissance électrique nette de 200 kW dans une entreprise à forte consommation d'électricité qui utilise complètement l'énergie produite en interne peut justifier des subventions CHP de 261 150 euros. Si l'usine est soumise à la loi TEHG sur l'échange de droits d'émission de gaz à effet de serre, les paiements de subvention augmentent de 0,3 cent / kWh. Les entreprises à forte consommation d'électricité n'ont pas réalisé de projets de cogénération viables dans le passé car dans le cadre du régime spécial de péréquation (BesAR) conformément à la loi sur les énergies renouvelables (EEG), seule la quantité d'énergie achetée en externe est utilisée pour calculer le intensité des coûts d'électricité. Selon la réglementation en vigueur sur la définition de la consommation d'électricité et le modèle des prix moyens de l'électricité, cette préoccupation est sans fondement.
5 Aspects pertinents dans une étude de faisabilité GMT
L'industrie de la brique et des carreaux doit faire face à des prix de l'électricité élevés par rapport aux prix modérés du gaz naturel. L'écart entre les prix d'achat est un indicateur important pour l'exploitation rentable d'une centrale de cogénération. Avec une charge électrique de base élevée du site toute l'année et des dissipateurs de chaleur utilisables en permanence, les systèmes de cogénération dans l'industrie de la brique et du carrelage sont conçus de manière à ce que l'énergie électrique générée et la chaleur puissent être entièrement utilisées dans les usines. L'électricité ainsi produite est exonérée de taxe sur l'électricité et la taxe sur l'énergie est remboursée pour la totalité du débit de gaz naturel de la microturbine à gaz.
Le montant de l'aide selon CHP (KWKG) 2020 est conçu de telle sorte qu'il couvre presque complètement l'investissement dans la machine. Pour un fonctionnement régulier, outre les coûts de maintenance, d'autres aspects doivent être pris en compte: l'EEG [9] facture la consommation électrique captive proportionnellement à 40% de la taxe EEG. À l'avenir, la taxe EEG doit être plafonnée sur les fonds publics. En 2021, à 6,5 cent / kWh et en 2022 à 6 cent / kWh.
5.1 Échange européen de droits d'émission de CO2 et loi nationale sur l'échange de droits d'émission de carburant (BEHG) [10]
Les GMT font souvent partie de l'équipement de cuisson des produits céramiques nécessitant une licence, qui relève du champ d'application de la loi allemande sur les échanges de gaz à effet de serre (TEHG). Les turbines à gaz en tant que telles ne sont soumises au TEHG qu'à partir d'une puissance thermique nominale> 20 MW.
Dans le système européen d'échange de droits d'émission (EUETS), les prix des certificats CO2 sont déterminés sur le marché. Avant la pandémie Corona, ils s'élevaient à 25 euros / t CO2. En 2021, l'Allemagne lance un système national de tarification du CO2 basé sur l'achat de carburant selon le BEHG et rend donc le prix, par exemple, d'achat de gaz naturel plus cher. »11 montre les suppléments et les coûts qui en résultent pour les émetteurs de CO2. Le BEHG précise que pour l'utilisation de carburants dans des usines déjà soumises à l'échange européen de droits d'émission (EUETS), il ne devrait pas y avoir de double charge (§ 7 Abs. 5 BEHG). On ne s'attend pas à ce que les prix du SETS soient supérieurs à ceux du BEHG. Dans toutes les études de faisabilité, par conséquent, les prix du CO2 sont pris avec prudence en tenant compte du BEHG. Le temps de récupération dépend des heures de fonctionnement réalisables en pleine charge. Les usines installées dans l'industrie de la brique et des carreaux affichent pour 11 mois de temps de production par an, des temps de fonctionnement GMT d'environ 8 000 heures de fonctionnement / an. Dans l'écart entre les coûts d'achat des combustibles gaz naturel et électricité et une durée de vie de l'installation de 80 000 heures de fonctionnement, une très bonne efficacité économique se traduit par un temps de retour court.
Avec la substitution du prix d'achat de l'électricité et l'utilisation du paiement de la subvention conformément à la loi KWK, il en résulte la situation d'exploitation la plus favorable économiquement. La raison en est la rémunération de rachat toujours inférieure par rapport au prix d'achat de l'électricité.
6 Production d'électricité en usine au moyen de microturbines au gaz - pas de contradiction avec le photovoltaïque
Les installations photovoltaïques et les centrales de cogénération sont respectueuses du climat et peuvent se compléter utilement dans l'industrie de la brique et du carrelage. Pour des raisons économiques, les systèmes de production d’électricité en usine devraient être dimensionnés de telle sorte que la charge de base de l’installation puisse, dans la mesure du possible, être couverte par la centrale de cogénération. Le profil de charge journalier restant constitue la base d'une (plus petite) unité PV adaptée à la puissance requise. Alors qu'une centrale de cogénération avec 100 kWélectr. peut remplacer jusqu'à 850 MWh / une électricité achetée, ce n'est pas possible avec un système PV sans une unité de stockage absurdement grande. Pour produire la même quantité d'électricité inscrite au bilan, un système PV avec environ 900 kWPeak serait nécessaire. Pour un investissement trois fois plus élevé pour la production de la même quantité d'électricité par an, un temps de récupération trois fois plus long est requis pour l'installation photovoltaïque.
7 Impact de l'utilisation d'un GMT dans une briqueterie
7.1 Sécurité de l'installation
Dans l'hypothèse du respect de la réglementation sur la santé et la sécurité au travail dans l'industrie, l'introduction d'un GMT fonctionnant au gaz naturel entraîne des risques supplémentaires ou autres. Les microturbines à gaz sont conformes aux règles de sécurité applicables en Allemagne. Dès qu'une anomalie inacceptable survient dans le réseau électrique, la turbine est automatiquement déconnectée du réseau. Option: l'installation peut être installée en tant que système d'alimentation de secours. L'installation serait dans un premier temps déconnectée du réseau puis redémarrée pour l'alimentation d'un groupe défini de consommateurs avec une puissance adaptée à l'aide d'un pack de batteries inclus dans le carter de la turbine. Des problèmes de santé et de sécurité au travail en ce qui concerne le bruit du système ne peuvent être attendus avec les niveaux de bruit garantis par le fabricant du système. Aucune mesure spéciale n’est nécessaire pour protéger l’audition des employés.
7.2 Contrôle de la pollution
Le gaz naturel est brûlé dans une microturbine à gaz avec un excès d'air élevé (λ = 7 à 8) dans une chambre de combustion à des températures de 850 à 900 ° C. Les émissions d'oxydes d'azote, de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures sont faibles. Les émissions sont bien en deçà des limites d’émission spécifiées dans les Instructions techniques allemandes sur le contrôle de la qualité de l’air (TA-Luft) et dans les exigences en matière d’émission de la 44e loi fédérale sur la protection contre les émissions (BImSchV) [11] pour les turbines à gaz nécessitant une licence. Le fabricant spécifie des valeurs de NOx <20 mg / m3 et des valeurs de CO <50 mg / m3 (par rapport à 15% vol. D'O2 dans les gaz d'échappement). Le formaldéhyde ne se forme pas pendant le fonctionnement du GMT (<1 mg / m3) contrairement aux moteurs à gaz. Le traitement des gaz d'échappement pour se conformer aux limites d'émission n'est pas nécessaire. Les émissions sonores maximales sont garanties à <66 dB (A) à 10 m de distance sans enceinte supplémentaire par le constructeur. Surtout dans le cas d'une installation intérieure dans des installations, on ne peut s'attendre à des problèmes d'émissions sonores dans le quartier. Les émissions sonores à basse fréquence selon DIN 45680, comme cela se produit avec les cogénérateurs à moteur, ne sont pas générées pendant le fonctionnement GMT. Le GMT est exempt de lubrifiants, de sorte que les exigences particulières liées à l'utilisation de substances polluantes pour l'eau ne s'appliquent pas.
7.3 Statut réglementaire des usines
Les briqueteries sont des usines nécessitant un permis conformément à la loi fédérale sur le contrôle des immissions (annexe 1 du 4e BImSchV; n ° 2.10.1 G E). Le GMT avec utilisation de gaz naturel peut être subsumé sous le numéro 1.2.3.2 V du 4ème BImSchV. Les GMT en soi ne nécessitent une licence que pour une puissance thermique nominale de 1 MW, de sorte que jusqu'à présent, la notification conformément au § 15 BImSchG à l'autorité de délivrance des licences a été jugée suffisante. Un processus d'autorisation selon le § 16 BImSchG n'est alors pas nécessaire lorsque l'impact négatif causé par le changement est manifestement faible et que le respect des exigences du § 6, paragraphe 1 n ° 1 BImSchG est assuré.
7.4 Protection du climat
La réduction rapide et efficace des émissions de gaz à effet de serre est une nécessité urgente pour atteindre l'objectif convenu contractuellement par le droit international à Paris en 2015 de limiter le réchauffement climatique provoqué par les gaz à effet de serre bien en dessous de deux degrés par rapport à l'ère préindustrielle. Les systèmes de cogénération contribuent considérablement à la protection des ressources et du climat grâce à une meilleure utilisation du carburant. L'énergie primaire est économisée. L'électricité produite par le GMT est produite presque sans perte à condition que la chaleur produite soit entièrement utilisée. Cette électricité ne doit plus, selon le mix électrique, être produite ailleurs avec une charge CO2 / kWh considérablement plus élevée. Il en résulte un crédit important d'équivalents CO2 afin d'améliorer l'empreinte CO2 des produits. Outre les aspects économiques de l'introduction d'un GMT avec utilisation directe des gaz d'échappement, l'amélioration de l'efficacité énergétique et des ressources est le principal avantage par rapport à la cuisson au gaz naturel pour la production de p. Air de séchage chaud à 200 ° C.
7.5 Exigences ISO 50001
La production d'électricité en usine au moyen de microturbines à gaz avec utilisation directe des gaz d'échappement prend en compte la valeur de l'énergie chimiquement liée dans le carburant et conduit à des économies de CO2 significatives. Lors de la recertification conformément aux exigences de la norme ISO 50003, l'amélioration requise de la puissance liée à l'énergie telle qu'envisagée dans la norme ISO 50001 doit pouvoir être prouvée sur la base des facteurs d'énergie primaire améliorés pour la consommation d'énergie [12].
8 Conclusion
Dans l'industrie des briques et des carreaux, le potentiel de cogénération est considérable en raison des besoins en énergie et en chaleur tout au long de l'année. Les microturbines à gaz génèrent de l'énergie tout en produisant de la chaleur à un niveau de température constamment élevé dans un seul flux de gaz d'échappement. Le palier à air des turbines fournies par le fabricant Capstone conduit à un gaz d'échappement exempt de résidus d'huile afin que les normes de qualité des produits céramiques ne soient pas mises en danger. Les domaines d'application optimaux sont avec sécheur, préchauffeurs et en raison du gaz d'échappement propre avec env. Utilisation d'oxygène à 18% vol comme air de combustion préchauffé. Les systèmes installés dans l'industrie des briques et des carreaux d'argile montrent avec une intégration technologiquement simple et des durées de vie de l'usine de 80 000 heures de fonctionnement des économies de CO2 considérables, des rendements élevés et des délais de récupération de moins de trois ans. Une amélioration des performances énergétiques conformément à la norme ISO 50001 peut être obtenue avec l'utilisation d'une microturbine à gaz.
Pour la décision d'investissement, un examen plus précis des conditions technologiques, économiques et juridiques d'une installation individuelle devrait être effectué pour fournir une base viable.
