Etude pour mise en circuit fermé du refroidissement de compresseurs et valorisation de la boucle

Coretec a été sollicité par un industriel spécialisé dans l’exploitation de matériaux.

Celui-ci possède un parc de compresseurs utilisé pour diverses applications.

Actuellement, l’installation est refroidie par un réseau d’eau en circuit ouvert depuis le château d’eau de l’usine, alimenté par l’eau puisée dans la rivière à proximité. Une fois réchauffée, cette eau est rejetée dans le milieu naturel.

Dans ce cadre et en lien avec la démarche environnementale du site, les responsables techniques ont souhaité passer l’installation de refroidissement des compresseurs en circuit fermé, et ainsi limiter drastiquement les consommations d’eau du site.

Ils souhaiteraient également réduire leurs consommations de gaz en récupérant de la chaleur sur la future boucle et en la valorisant sur des consommateurs de l’usine.

BOUCLE DE REFROIDISSEMENT

Le parc de compresseurs est composé de 10 compresseurs de puissance allant de 250 à 1400 kW.

Besoins analysés et identifiés :

Réalisation d’une campagne de mesure pour :

• Mesurer des débits d’eau de refroidissement instantanés sur l’ensemble des compresseurs en fonctionnement
• Enregistrer des températures de sortie de l’eau de refroidissement des compresseurs et les intensités appelées par les compresseurs

L’analyse des données récoltées a permis de fixer la puissance de design pour l’installation future, destinée au refroidissement des compresseurs.

SOLUTIONS TECHNIQUES ENVISAGEES :

Description générale

Le principe des solutions envisagées est de créer une centrale de production de froid, permettant de remplacer la source d’alimentation en eau. Le château d’eau sera conservé en secours en cas de défaillance des pompes réseau.

2 variantes ont été étudiées :

• Régime chaud : Boucle de refroidissement des compresseurs à 35/47°C
• Régime froid : Boucle de refroidissement des compresseurs à 27/45°C

Les critères d’étude et comparaison des différentes solutions sont :

• Les régimes de température de la boucle de refroidissement,
• Le CAPEX,
• La consommation d’eau,
• La partie réglementaire…

En prenant en compte tous les éléments liés au refroidissement de la boucle, 4 solutions techniques peuvent être envisagées :

• Installation d’une TAR de 4 000kW (régime chaud)
• Installation de 2 refroidisseurs adiabatiques de 2 000kW (régime chaud)
• Installation de 2 TAR de 2 000kW (régime froid)
• Installation de 2 Refroidisseurs Adiabatiques (régime « froid ») de 2250 kW + 1 échangeur 1,25MW d’appoint sur l’eau de rivière

Solution 1 : Installation de TAR de 4 000kW (régime chaud)

Cette solution consiste à installer un système de refroidissement par tour aéroréfrigérante (TAR) pour produire de l’eau à 35°C.

Afin de réduire les problèmes liés au risque légionnelle, l’équipement installé est une TAR fermée, ce qui permet d’isoler l’eau circulant dans la TAR par la présence d’un échangeur interne.

Schéma simplifié de l’installation :

Solution 2 : Installation de 2 refroidisseurs adiabatiques de 2 000kW (régime chaud)

Dans ce cas, il est proposé d’installer un système de refroidissement par 2 refroidisseurs adiabatiques (RA) de 2000kW chacun, permettant également de produire de l’eau à 35°C.

Schéma simplifié de l’installation :

Solution 3 : Installation de 2 TAR de 2 000kW (régime froid)

Une 3^ème solution a été étudié pour produire de l’eau à un régime de température plus faible au niveau du process : 27°C au lieu de 35°C.

Le principe de refroidissement et le schéma de raccordement est similaire à la solution N°1.

Schéma simplifié de l’installation :

Solution 4 : Installation de 2 Refroidisseurs Adiabatiques de 2250 kW (régime froid) + 1 échangeur 1,25MW d’appoint sur l’eau de rivière

Enfin, cette dernière solution consiste en l’installation d’un système de refroidissement par 2 refroidisseurs adiabatiques de 2250kW pour produire de l’eau à 27°C.

Un échangeur assurera le complément de puissance pour assurer la production d’eau à 27°C.
2 pompes seront installées côté rivière pour adapter le débit en fonction de la demande en refroidissement.

Schéma simplifié de l’installation :

SYNTHESE TECHNIQUE ET ECONOMIQUE DES 4 SOLUTIONS

VALORISATION DE CHALEUR FATALE

Puits de chaleur identifiés :

• 5 fours de séchage GN en fonctionnement intermittent,
• 1 sécheur fonctionnant en 12 x 8h par semaine,
• 1 installation de chauffage composée de 3 chaudières GN et 2 aérothermes.

Adéquation entre les puits et la source

Pour évaluer le potentiel de valorisation réel entre la source et les puits, nous avons croisé les données pour obtenir un bilan annuel.

Source : Refroidissement compresseurs
Puits : Chauffage bâtiments et préchauffage air sécheur

On observe donc que la source est très largement capacitaire par rapport aux besoins du sécheur et du chauffage du bâtiment.

SOLUTION DE VALORISATION ENVISAGEE

Solution de BASE : 2 PAC pour le réseau de chauffage du bâtiment et le sécheur

Cette solution consiste à mettre en place 2 PAC (1x500kW et 1x800kW) pour récupérer la chaleur sur la boucle de refroidissement et créer une boucle d’eau chaude 80°C/70°C alimentant les différents puits identifiés.

Dans le cadre du fonctionnement de la PAC avec la boucle de refroidissement en régime « froid », les performances de la PAC sont dégradées (COP plus faible).
Dans ce cas et pour cette raison, le projet ne serait pas éligible au Fonds Chaleur. Cependant, le client peut solliciter la subvention de l’ADEME avec la solution en boucle chaude.

Les PAC seront installées en parallèle sur le retour du circuit de refroidissement côté évaporateur. Une partie du débit de retour du refroidissement des compresseurs sera prélevée pour assurer le pré-refroidissement du circuit.

La chaleur récupérée au condenseur des PAC servira à maintenir la boucle de valorisation à une température de 80°C.

Fonctionnement envisagé :
La plus petite PAC servira pour un besoin allant jusqu’à 500kW.
Elle passera en back-up de la plus grosse PAC entre 500 et 750kW pour maximiser la valorisation.
Au-delà de 750kW, les 2 PAC fonctionneront en parallèle.

Solution variante : PAC pour sécheur

Ici, il s’agit de la mise en place d’une PAC pour récupérer la chaleur sur la boucle de refroidissement et créer une boucle d’eau chaude 80°C/70°C alimentant une batterie air/eau installée sur l’entrée d’air neuf du sécheur.

La PAC sera installée comme définit en base, en parallèle sur le retour du circuit de refroidissement côté évaporateur. La chaleur récupérée au condenseur de la PAC servira aussi à maintenir la boucle de valorisation à une température de 80°C.

SYNTHESE ECONOMIQUE DE LA VALORISATION

Solutions proposées pour la boucle de refroidissement avec comme valorisation la solution de base.

*Cette solution est éligible à l’aide Fonds Chaleur de l’ADEME du fait des niveaux de températures traités en sortie de la PAC.

Cette étude a permis d’apporter quatre solutions plus précises à l’industriel.
Il a en sa possession un outil d’aide à la décision pour décider de la suite de son projet.

Ce que l’on constate pour notre part, c’est que chaque solution permet les mêmes économies de CO2 et de consommation de gaz.

La différence se fera donc au niveau du CAPEX, de la consommation d’eau et de la surconsommation électrique.

Concernant le client industriel, la solution qu’il semble favoriser est la N°4.
En effet, elle représente un compromis entre sa volonté d’un fonctionnement à une température de refroidissement régime froid (solution 3 et 4) et admet des contraintes d’exploitation réduites (absence de traitement contre la légionnelle, réservée aux TAR).

Qu’est-ce qui fait que ce sujet est intéressant à étudier ?

Ce sujet a été intéressant car il aborde des problématiques environnementales de réduction de consommations d’eau et de la valorisation de la chaleur fatale des compresseurs sur les différents consommateurs du site. C’est donc un projet avec un double intérêt.
Mathieu Martinez