Plan directeur production d’utilités chaud/froid pour un industriel des sciences de la vie

Le site est un laboratoire pharmaceutique français dédié à la santé animale, qui propose une large gamme de plus de 500 références.

Celui-ci s’est développé au gré des évolutions par croissances successives et envisage aujourd’hui la création de deux nouvelles lignes de production dont l’une à implanter dans la chaufferie actuelle.

Ces deux projets représentent un investissement majeur pour l’industriel, qui prévoit le début des travaux courant 2023.

Dans ce cadre, Coretec a répondu à la consultation du site afin de réaliser une étude établissant un plan directeur des utilités.

Coretec a réalisé un plan directeur des installations de production de vapeur, eau chaude, eau glacée et air comprimé de l’usine.

L’étude a pris en compte les contraintes du client, à savoir :

• Pour la première extension (projet acté) : libérer la zone chaufferie à une date précise, créer une nouvelle chaufferie vapeur et eau chaude (sur une zone déterminée par le client), et permettre de poursuivre la production pendant la transition entre l’ancienne et la nouvelle chaufferie.
• Pour la seconde extension (projet à l’étude) : prévoir les réserves nécessaires sur les utilités dès la première extension et chiffrer la plus-value des utilités pour alimenter le process en 2^ème

Les optimisations énergétiques envisageables sur l’existant et sur les projets d’extension ont également été étudiées.

L’étude s’est déroulée en plusieurs étapes :

• Définition du besoin en utilités sur la base de données existantes et d’une campagne de mesure instrumentée
• Etude des installations existantes et des évolutions envisageables, en tenant compte de l’obsolescence des équipements et contraintes de planning
• Analyse des différentes solutions techniques et scénarii permettant de répondre aux besoins en vapeur, eau chaude, eau glacée et air comprimé, ainsi que les options et optimisations possibles
• Comparaison des solutions pour permettre à l’industriel de bâtir, pour les prochaines années, un plan directeur des productions d’utilités

Installations existantes :

• Chaufferie vapeur avec 2 chaudières vapeur de 2,5 et 3 T/h au gaz naturel et deux chaudières eau chaude 500 kW au gaz naturel
• 3 générateurs de vapeur pure de 2 x 2T/h et 650 kg/h alimentés à la vapeur industrielle
• 3 Groupes d’Eau Glacée (+2°C) air/eau de puissance moyenne 200 kW.
• 5 Groupes d’Eau Glacée (+6°C) air/eau de puissance moyenne 600 kW.
• 5 compresseurs d’air comprimé

Les scénarios et le phasage étudiés sont les suivants :

• 2023/2024 : Création de la nouvelle chaufferie en remplacement de l’ancienne.
• 2025 : Augmentation de la capacité de production des utilités pour répondre au besoin de la nouvelle unité de production.
• Entre 2024 et 2026 : Renouvellement des groupe eau glacée (GEG) et centralisation.
• Projets préliminaires d’amélioration de la performance énergétique.

01 – Extension n°1 – Création de la nouvelle chaufferie en remplacement de l’ancienne

Construction d’une nouvelle chaufferie vapeur à proximité de la chaufferie vapeur existante tout en assurant une continuité de service. Les chaudières ne sont pas réutilisées car relativement anciennes voire vétustes.

Montage des nouveaux équipements dans la chaufferie, à savoir :

• Traitement d’eau neuf par osmoseur + adoucisseur
• 2 chaudières de 5 T/h au Gaz Naturel et raccordements associés pour remplacement chaufferie + chaudière location
• 2 générateurs vapeur pure 2 T/h unitaire
• 2 chaudières Eau Chaude neuves de 500 kW au régime 70-80 °C

Raccordement des nouvelles utilités avec les interfaces de la chaufferie existante.

Projet estimé à environ 3 000 k€ pour la mise en place de la nouvelle chaufferie.

Cette solution permet par rapport à la solution existante de générer un gain d’environ 10 % sur la consommation énergétique de la chaufferie vapeur.

Démantèlement de tous les équipements et de la chaufferie existante une fois la nouvelle production de vapeur et d’eau chaude mise en service.

02 – Extension n°1 – Augmentation de production associée à la libération de la chaufferie

La libération de la chaufferie permet l’installation d’une nouvelle ligne de production. Pour alimenter cette nouvelle ligne, des équipements complémentaires seront installés dans la nouvelle chaufferie.

• Vapeur pure : recyclage d’un des GVP 2 t/h de la chaufferie existante
• Vapeur industrielle : installation d’une 3^ème chaudière vapeur 5 t/h
• Eau glacée 6/12°C : ajout d’un groupe froid air/eau de 300 kW à proximité de la chaufferie.

Projet estimé à 800 k€.

03 – Remplacement et centralisation des groupes froid

Centralisation de la production de froid à proximité de la chaufferie, en tenant compte de l’obsolescence des groupes eau glacée. Cela permet de mutualiser les secours groupe froid et d’intégrer de la récupération d’énergie aisément.

Le projet est envisagé en 2 temps :

• Remplacement des 3 Groupes d’Eau Glacée les plus anciens entre 2024 et 2026
• Remplacement dans un 2^nd temps des autres GEG, à horizon 2030.

Ces changements prennent en compte la fourniture de deux groupes eau glacée 60 kW et 1 200 kW, ainsi que les raccordements associés, venant en remplacement de 3 GEG.

Budget : environ 1 000 k€, comprenant la fourniture des GEG et le raccordement aux interfaces.

04 – Extension n°2 – Augmentation de la capacité de production des utilités

Pour la seconde extension, dont le projet est encore à l’étude à ce stade, la mise en place d’une nouvelle ligne de production induit l’augmentation de la consommation.

Pour y répondre, les travaux suivants sur les utilités sont nécessaires :

• Communs :
  • Changement de la conduite de GN en enterré entre le PDL du site et la chaufferie pour augmentation de débit.
  • Tranchée pour passage des utilités en enterré entre la nouvelle chaufferie et le nouveau bâtiment process (VP industrielle, condensats, EC, EG).
• Vapeur pure : Installation de générateurs 2 x 1,5 t/h au plus proche du process.
• Eau froide / Eau chaude : ensemble de pompes à chaleur capables de générer du froid 6/12°C (rafraichissement en saison chaude) ou du chaud au régime 40-50 °C (réchauffage en saison fraîche)
• Eau glacée : 1 GEG 125 kW au régime 2-6 °C
• Eau chaude : 2 chaudières eau 1800 kW
• Air comprimé : Installation d’une production de 500 Nm3/h en complément des moyens actuels.

Montant total de cette étape : environ 3 500 k€

Dans le cadre de l’extension, la solution étudiée permet de décarboner la production d’eau chaude pour un coût quasiment équivalent à une solution au gaz.

05 – Amélioration de performance – Production combinée Chaud/Froid et Géothermie

Contexte

En parallèle, le site souhaite également optimiser énergétiquement son site en générant des gains sur l’OPEX.

Des gains sont envisageables, notamment sur les productions d’eau chaude et d’eau froide 6/12°C.

Régime de température

Coretec a mis en évidence que les possibilités de valorisation de chaleur sur des boucles d’eau chaude s’envisagent mieux lorsque l’eau chaude produite est à un régime « basse » température (idéalement 40/50°C).

Le client a indiqué que :

• Sur les productions d’eau chaude existantes, il est impératif de conserver le régime 70-80 °C pour limiter les modifications sur les process aval.
• Sur les productions d’eau chaude de l’extension n°2, un passage à 40-50 °C est possible en prenant cette donnée en compte dès la conception de la nouvelle ligne.

Ces améliorations de performance sur l’eau chaude ont donc été envisagées dans le cadre du projet d’extension n°2.

Scénarios

L’étude a proposé 2 scénarios d’amélioration de performance associés à l’extension n°2 : un scénario axé sur la production combinée chaud/froid et un autre plus ambitieux axé sur la géothermie.

Scénario 1 : Production combinée chaud/froid

L’usine a un besoin simultané de chaud et de froid lorsque la température ambiante est comprise entre 13 et 32 °C. La production simultanée de chaud et de froid peut donc avoir du sens par une pompe à chaleur dédiée.

Mise en place d’un équipement de production combinée eau chaude / eau froide associée à l’extension n°2 :

• Pompe à chaleur eau/eau au régime 6/12 °C / 40/50 °C
  • Puissance : 720 kW au régime 40/50 °C et 520 kW au régime 6/12 °C
  • Installation en extérieur de l’équipement
• Raccordements électriques et hydrauliques.

Coût du projet :

• CAPEX complémentaire : environ 350 k€
• CEE éligibles : 20 000 MWh cumac

Gain annuel associé à ce projet : 370 MWh élec // 75 k€/an

Temps de retour : Environ 3 ans en intégrant les CEE

Scénario 2 : Géothermie sur nappe

Le client a souhaité connaître le potentiel géothermique sur le site et les enjeux associés pour approfondir une pré-étude leur proposant une production de plusieurs MW par géothermie.

Principe retenu pour la géothermie sur nappe.

• La nappe fournit une température constante sur l’année de 15 °C qui peut être utilisée en refroidissement ou en chauffage suivant les besoins.
• Une pompe à chaleur ajuste le niveau de température suivant le besoin : 40/50°C pour la production de chaleur et 6/12°C pour la production de froid avec un COP (Coefficient de Performance) important.
• Une production complémentaire combinée de chaud et de froid, comme dans le cadre du scénario 1.

Mise en place d’une installation de géothermie sur nappe :

• 2 Forages pour prélèvement et renvoi de l’eau de nappe
  • Profondeur de la nappe : environ 20 mètres
• Système de pompage de l’eau de nappe : environ 500 m³/h
• Echangeur de découplage eau de nappe / eau du site
• Groupe froid eau/eau au régime 6/12°C
  • Utilisation de la nappe comme source de froid
  • Puissance : 2 x 3000 kW à 6/12 °C
• Pompe à chaleur eau/eau au régime 40/50°C
  • Utilisation de la nappe comme source de chaud
  • Puissance : 2 x 1300 kW à 40/50 °C
  • Puissance : 2 x 1000 kW à 6/12 °C (en cas de production combinée)
• Liaisons hydrauliques et électriques
• Bâtiment pour les pompes à chaleur

Coût du projet 

• CEE éligibles : 67 100 MWh cumac
• CAPEX complémentaire : environ 1400 k€

Gain annuel associé à ce projet : 1100 MWh élec // 225 k€/an

Temps de retour : Environ 5 ans en intégrant les CEE

Points de vigilance :

• La puissance associée au projet couvrant une puissance de plus de 500 kW, on sort du régime de la Géothermie de Minime Importance (GMI). La faisabilité du projet est donc soumise à une étude d’impact sur le réchauffement ou le refroidissement de la nappe.
• En période de sécheresse, le niveau de la nappe peut baisser : en l’absence d’un backup sur le refroidissement, la capacité de refroidissement du site peut être impactée.

Bilan scénarios

Pour des raisons de fiabilité du dispositif de refroidissement et de coût, le client a privilégié le projet de production combinée chaud/froid.

Bilan financier

Les coûts budgétés dans l’étude sont rappelés ci-dessous.

Bilan de l’étude

Dans le cadre de l’extension n°1, la contrainte principale était de limiter la durée de travaux en arrêt. Au vu de l’ancienneté des équipements de la chaufferie, il a été prévu de construire une chaufferie avec des chaudières et GVP neufs à proximité, avec le déplacement d’un générateur de vapeur pure relativement récent de l’ancienne à la nouvelle chaufferie dans un 2^nd temps.

La centralisation des groupes froid envisagée à moyen terme par le client a été évaluée.

Afin d’alimenter les consommateurs existants, l’intégration d’une production combinée chaud/froid n’a pas été retenue car le régime d’eau chaude était difficilement compatible avec une production de froid dans de bonnes conditions économiques (boucle d’eau chaude à 70-80°C). Le client qui dispose déjà d’une récupération de chaleur sur site a d’ailleurs pu constater qu’elle ne fonctionnait pas de manière optimale lorsque le régime de température de 70-80 °C est tenu.

Nous rencontrons assez couramment cette thématique dans le cadre d’études d’optimisation énergétique. En effet, les industriels souhaitant étudier leur potentiel de valorisation sont régulièrement limités par les niveaux de températures, qui, lorsqu’ils sont trop élevés, ne permettent pas une intégration énergétique optimale.

Dans le cadre de l’extension n°2, il a été possible d’intégrer énergétiquement la production de chaud et de froid. Deux scénarios d’intégration ont été envisagés :

• L’un avec production combinée eau chaude / eau froide
• L’autre incluant en complément de la géothermie sur nappe

Le mot du chargé d’études

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

« C’est un sujet multidimensionnel où on traite de plusieurs utilités différentes en recherchant les conditions d’une bonne interaction entre celles-ci, notamment entre la production d’eau chaude et d’eau froide tout en répondant aux contraintes du client.

Au cours de l’étude, j’ai amené également le client à se questionner sur son installation existante et mieux comprendre certaines difficultés sur la récupération de chaleur »

Des difficultés lors de l’étude ?

« L’étude a dû être réalisée dans un temps relativement court au regard des projets envisagés. Cela a nécessité d’une part de bien cadrer les scénarios proposés et d’autre part de faire un travail autant que possible par analogie avec des projets similaires. »

Pierre Ozanam – Chargé d’études