Exemple de pratique

STEP de Winterthur : une centrale énergétique puissante pour la ville de l'Eulach

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La STEP de Winterthur transforme les eaux usées en ressources précieuses et fonctionne comme un pilier central de la stratégie énergétique de la ville. Grâce à la valorisation très efficace du gaz d'épuration dans des centrales de cogénération modernes, Stadtwerk Winterthur produit non seulement de la chaleur respectueuse du climat pour ses propres besoins, mais assure également une production d'électricité considérable pour l'installation, ce qui fait de la STEP de la Hard un exemple parfait d'économie circulaire vécue et d'autarcie énergétique locale.

«Lors de notre projet de transformation récemment achevé, nous avons évalué aussi bien l'injection dans le réseau de notre gaz d'épuration que l'utilisation propre de l'électricité qui en est issue dans une centrale de cogénération performante», explique Roger Müller, directeur d'exploitation de la station d'épuration des eaux usées (STEP) de Winterthour. «Sur la base de calculs comparatifs détaillés, nous avons alors opté pour la solution de couplage chaleur-force, qui nous permet d'utiliser nous-mêmes l'électricité produite». Depuis le printemps 2018, une installation de cogénération d'une puissance électrique de 548 kW est désormais en service et permet de produire soi-même environ 70% de l'électricité et la totalité de l'énergie thermique nécessaire au fonctionnement de la STEP.

Transformation due à la suppression de l'incinération des boues d'épuration

La STEP de Hard, en service depuis 1951, traite les eaux usées de Winterthur et de 12 communes affiliées de la région. Jusqu'à 20 millions de m3 s'écoulent chaque année dans la STEP et passent ainsi par quatre étapes de traitement. Les 600 kilomètres de canalisations privées et publiques du service d'assainissement de la ville débouchent ici dans la STEP. Jusqu'en 2015, les boues d'épuration produites étaient déshydratées, puis valorisées et réduites par une monocombustion. En raison de la révision du plan d'élimination zurichois et des modifications légales générales concernant l'épandage des boues d'épuration, des réflexions régionales ont dû être menées sur la question de l'élimination. Enfin, la décision de concentrer l'incinération dans l'installation zurichoise de Werdhölzli a entraîné la fermeture de l'ancien incinérateur de Winterthur. Une importante source de chaleur a ainsi disparu de la STEP. Et avec la construction d'un digesteur supplémentaire, on pouvait en même temps compter sur une augmentation de la quantité de gaz d'épuration. L'ensemble de l'approvisionnement en énergie a dû être modifié et restructuré en conséquence. Cela a également impliqué des adaptations du système pour la préparation de l'eau chaude sanitaire et l'alimentation en air comprimé. Comme il y a donc un besoin simultané d'électricité et de chaleur, la poursuite de l'utilisation de la technologie de cogénération était évidente.

Les deux centrales de cogénération d'une puissance de 190 kW chacune, déjà en service auparavant, fonctionnaient pour la plupart - en tant que partie de l'ensemble de la STEP - à charge partielle. Il y avait certes une redondance bienvenue, mais l'utilisation en alternance n'était pas optimale. L'injection du gaz d'épuration dans le réseau de gaz public, également examinée pendant le processus d'évaluation, n'a pas convaincu lors de l'étude comparative des besoins en énergie primaire nécessaires. Une nouvelle centrale de cogénération offre non seulement des avantages écologiques et économiques, mais elle est également disponible pour répondre au besoin d«»électricité de secours". Associée aux accumulateurs d'air haute pression existants, elle permet de maintenir les fonctions de la STEP en cas d'éventuelle coupure de courant. En cas d'urgence, une chaudière plus ancienne assure encore une chaleur redondante supplémentaire.

Objectifs pour l'utilisation future de la cogénération

«Lors de cette phase d'évaluation, nous avons également pu constater noir sur blanc que le plus précieux dans le gaz d'épuration est l'électricité que l'on peut en produire. C'est pourquoi nous voulions maximiser l'utilisation propre de la production d'électricité possible», explique Roger Müller en résumant le point de départ des travaux de planification nécessaires.

Les exigences concernant la conception de la centrale de cogénération étaient d'une part d'éviter un fonctionnement à charge partielle, et d'autre part d'atteindre une durée d'utilisation quotidienne d'environ 18 heures, avec un maximum de 1 à 2 démarrages. La centrale de cogénération devait donc fonctionner à l'électricité et être intégrée au réseau électrique de la STEP. «Avec cette utilisation propre de l'électricité, la centrale de cogénération est rentable. Nous partons du principe que nous atteindrons plus de 70% des besoins. Ainsi, nous n'aurons besoin que de peu d'électricité du réseau et, en même temps, nous n'aurons pratiquement pas besoin d'alimenter le réseau».»

Une nouvelle installation pour de plus grandes dimensions

La nouvelle centrale de cogénération de GE Jenbacher, de type JMS 312, livrée et installée par IWK Integrierte Wärme und Kraft AG, comporte 12 cylindres d'une cylindrée de près de 30 litres. Cela permet d'utiliser une quantité de gaz allant jusqu'à 220 Nm3/h. À un régime de 1500 tr/min, une puissance électrique de 548 kW est atteinte, 623 kW sont disponibles sur le plan thermique, ce qui porte la puissance totale à plus de 1 MW. Le rendement électrique est estimé à 41 pour cent, le rendement thermique à 47 pour cent, ce qui permet d'atteindre un total de plus de 88 pour cent. L'ensemble de l'installation comprend également un échangeur de chaleur tubulaire pour les gaz d'échappement, dans lequel un refroidissement de 440 à 120 °C a lieu. La température de départ de l'eau est de 90 °C au maximum, pour un débit d'eau chaude de près de 27 m3/h. La température de départ de l'eau est de 90 °C au maximum.

Pendant la planification, il a également fallu constamment faire des hypothèses sur les paramètres les plus importants, car la quantité totale de gaz d'épuration produite en raison de la construction d'un nouveau digesteur et les données électriques de l'ancien fonctionnement à charge partielle des anciennes centrales de cogénération présentaient des incertitudes. Tant le choix des machines que la conception du traitement des gaz d'échappement ont donc été des travaux particulièrement exigeants. En ce qui concerne la centrale de cogénération, le fait qu'une augmentation de la puissance puisse être réalisée à peu de frais lors du service quinquennal a apporté une certaine détente, car le générateur est déjà conçu pour 637 kWel.

La nouvelle centrale de cogénération a été insérée dans l'ancienne centrale énergétique, ce qui a été possible grâce à une planification minutieuse et à une interruption de service de seulement deux semaines. Les conditions de sécurité (Ex) ont certes dû être adaptées et un catalyseur SCR (alimentation en urée) a été installé, un nouveau transformateur pour la moyenne tension a été ajouté, mais la nouvelle installation était opérationnelle au printemps 2018.

Défis entre la planification et la pratique

Tant les travaux de planification que les procédures de décision parlementaires (conseil municipal de Winterthur) et administratives (p. ex. demande de RPC) se basent sur les données d'installation mises à disposition. Pour tous les acteurs, il est difficile de gérer les différences qui apparaissent entre les valeurs d'une exploitation test et les données pouvant être obtenues dans le cadre de l'exploitation concrète de la STEP. Si les performances et les rendements espérés ne peuvent pas être atteints en raison des conditions spécifiques de la production de gaz d'épuration, des conditions climatiques et de la technique de l'installation, des discussions surgissent soudainement. Les conditions changeantes contribuent également à de telles incertitudes. Par exemple, le nouveau digesteur a été mis en service mi-2015, mais la première année de fonctionnement normal n'a pu être atteinte qu'en 2017. Lors de la planification, on partait d'une production quotidienne de gaz d'épuration de 4400 m3 , aujourd'hui cette valeur est de 4900 m3 . Les installations de valorisation doivent donc être équipées d'une plage de tolérance correspondante. De plus, il faut tenir compte de changements marquants dans le bassin versant de la station d'épuration (par exemple, la disparition de certaines entreprises industrielles, l'extension de zones d'habitation, etc.

«Nous avons la chance de pouvoir exploiter le potentiel énergétique en plus de notre tâche principale, à savoir l'épuration des eaux usées régionales. Personnellement, je vois même en principe l'objectif dans le domaine de l'énergie de ne plus effectuer de processus de combustion pour obtenir de la chaleur sans couplage chaleur-force. C'est ce que nous réalisons chez nous avec une valorisation optimale des gaz d'épuration».»

Concevoir au-delà des limites du site

Outre la production d'électricité à partir de gaz d'épuration, la STEP de la Hard propose également une source d'approvisionnement en chaleur à partir des eaux usées épurées pour un lotissement situé à proximité. De telles utilisations de la chaleur froide à distance sont toutefois limitées et leur réalisation est souvent difficile.

La STEP elle-même se prépare actuellement à l'extension des étapes d'épuration. A l'avenir, cette épuration sera encore plus efficace, mais aussi plus coûteuse, grâce à des étapes supplémentaires et à de nouveaux procédés. Ces derniers seront nécessaires, d'une part, parce que des prescriptions plus strictes devront être respectées et, d'autre part, parce que de nouvelles substances problématiques, comme les micropolluants, qui parviennent de plus en plus souvent dans l'eau potable via les eaux usées, les rivières et les lacs, devront être éliminées.

informations :
Roger Müller
Services municipaux de Winterthur
Station d'épuration des eaux usées
CH-8403 Winterthur
roger.mueller@win.ch
stadtwerk.winterthur.ch
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