Exemple de pratique

STEP de Worblental : un rendement énergétique maximal pour la région de Berne

A4 2021 Powerloop ARA Worblen IMG 9310 cut fav kl

La STEP de Worblental pose de nouveaux jalons en matière d'utilisation hautement efficace des ressources : grâce à la coopération avec un réseau de chaleur régional et à l'utilisation de centrales de cogénération ultramodernes, l'installation atteint un rendement global impressionnant de 96%, transformant ainsi systématiquement le gaz d'épuration en énergie verte et économisant chaque année des millions de litres de mazout.

Près de la localité de Worblaufen, l'Aar serpente à travers une vallée étroite et boisée. Sur la rive droite se trouvent les bassins d'épuration de la station d'épuration des eaux usées (STEP) de Worblental, mise en service en 1971. En amont, l'affluent Worble, fortement canalisé et portant le même nom, se jette dans l'Aar, dont la force hydraulique a été utilisée pendant longtemps par les moulins à papier et les marteaux. La troisième plus grande station d'épuration du canton de Berne a pour mission de traiter les eaux usées des quelque 71 000 habitants de dix communes associées (dont Zollikofen, Ittigen et Ostermundigen) situées le long de cette vallée. A cela s'ajoutent les eaux usées de nombreuses entreprises de services et de l'industrie alimentaire fortement ancrée dans la région.

Les boues d'épuration produites dans le cadre de l'exploitation quotidienne de la STEP sont digérées dans deux tours de digestion dans des conditions mésophiles. Le produit de la dégradation est le gaz de digestion, principalement sous forme de méthane et de dioxyde de carbone (CO2). Depuis 19 ans déjà, le gaz d'épuration est valorisé énergétiquement à la STEP, jusqu'à présent surtout pour les besoins propres en courant électrique et en chaleur. L'énergie thermique permet d'une part de chauffer les digesteurs à la température de fonctionnement de 38°C nécessaire pour que les bactéries mésophiles puissent agir de manière optimale, et d'autre part de fournir de la chaleur de confort pour le bâtiment d'exploitation.

Réseau de chaleur au nord de Berne

Au cours de ses 50 ans d'existence, la STEP a été soumise à des changements constants. Aujourd'hui, elle s'apprête à franchir une nouvelle étape en devenant une centrale énergétique respectueuse du climat. Les deux centrales de cogénération existantes (puissance de 250 kWel chacune), qui fournissaient de la chaleur et de l'électricité, arrivaient en fin de cycle de vie après presque vingt ans. «Nous avons analysé la situation en profondeur et sommes arrivés à la conclusion suivante : En remplaçant les anciens modèles par de nouvelles centrales de cogénération, nous maximisons le rendement énergétique des processus de la STEP et contribuons à l'avenir énergétique sans CO2 de notre région», explique Markus Baumann, responsable des projets et de la technique des procédés à la STEP de Worblental.

Cette décision a été facilitée par les activités entrepreneuriales de l'entreprise de contracting thermique EBL (Genossenschaft Elektra Baselland) pour la mise en place d'un réseau de chaleur dans le bas Worblental. Avec la garantie contractuelle des raccordements au réseau prévus avec des clients à Ittigen, Zollikofen et sur le territoire de la ville de Berne (notamment l'hôpital Tiefenau, la fondation Rossfeld), tous les feux sont désormais au vert pour la réalisation d'un réseau de chauffage à distance. Certes, la STEP n'intervient pas en tant qu'investisseur pour le chauffage urbain. Néanmoins, la collaboration avec EBL est très étroite - dans l'intérêt des deux parties. Il est en effet prévu de construire une centrale énergétique au deuxième étage, au-dessus de la phase de traitement biologique de la station d'épuration. Le premier coup de pioche est prévu pour l'automne 2021 et la nouvelle centrale énergétique produira une grande partie de la chaleur directement à partir des eaux usées : Une pompe à chaleur en extrait une partie de l'énergie thermique et l'achemine vers la centrale énergétique à un niveau de température plus élevé. La deuxième source importante est la chaleur résiduelle à haute température provenant des deux nouvelles centrales de cogénération. Enfin, l'utilisation de combustibles fossiles est exceptionnellement prévue pour les situations de pointe lors des journées froides d'hiver.  

Énergie de régulation secondaire

Des conditions-cadres optimales donc pour tirer le maximum d'énergie du gaz d'épuration grâce à l'investissement de renouvellement. Les nouvelles centrales de cogénération installées présentent une puissance supérieure de 400 kWel chacune par rapport aux modèles précédents. Les processus internes à l'entreprise, comme l'aération de la phase de traitement biologique, nécessitent des quantités considérables d'électricité. Toutefois, les deux installations de couplage chaleur-force produisent un excédent de courant électrique de 1 à 2 GWh par an, en plus de la consommation propre de l'entreprise (d'environ 3 à 4 GWh). La production totale d'électricité correspond aux besoins en électricité de 1200 foyers. La STEP de Worblaufen, en tant qu'association de communes, commercialise ce courant dans le réseau public via le système de commercialisation directe. Elle participe en outre à ce que l'on appelle le marché de l'énergie de réglage. Cela signifie que le réservoir de gaz de 1600 m3 de la station d'épuration sert de tampon pour produire de l'énergie électrique de manière ciblée afin de stabiliser le réseau électrique en autorisant l'exploitant du réseau électrique à couper à court terme l'alimentation en électricité de la STEP - un service système qui est en outre rémunéré à l'association de communes.

Efficacité énergétique maximale

Le concept énergétique de la centrale de cogénération est ingénieux en ce qui concerne la chaleur : la combustion du gaz d'épuration dans le moteur à gaz génère une précieuse chaleur résiduelle à haute température (95°C), qui peut être directement acheminée vers la centrale de chauffage de l'exploitant du réseau de chauffage urbain EBL via un circuit d'eau chaude et un échangeur de chaleur. En outre, les planificateurs énergétiques sont parvenus à utiliser judicieusement la chaleur résiduelle à basse température libérée par le fonctionnement du moteur à gaz. Cette chaleur provient d'une part de la condensation des gaz d'échappement et d'autre part du refroidissement des cabines de moteur. Une pompe à chaleur supplémentaire montée en aval portera cette chaleur résiduelle non utilisée jusqu'à présent à la température utile et la découplera pour le chauffage de l'entreprise et la chaleur de confort. Les exploitants de l'installation atteignent ainsi un rendement global maximal de 96% à partir des deux moteurs de cogénération ; une nouvelle référence en matière d'utilisation très efficace de l'énergie ! «On a comparé d'autres options. Avec la possibilité d'atteindre un tel rendement, la décision s'est rapidement imposée. L'injection du gaz d'épuration dans le réseau de gaz public n'était pas une solution viable à nos yeux, car elle nécessitait déjà une énergie externe supplémentaire pour l'épuration du gaz», remarque Christoph Streun, directeur de la STEP. «Dès que le réseau de chaleur sera en service, le concept énergétique que nous avons choisi permettra d'économiser environ 3 millions de litres de mazout fossile par an».»

Alimentation de secours, air pur, alarme intelligente

Le nouveau concept énergétique de la station d'épuration comprend également la transformation de l'alimentation électrique de secours. En cas de panne de courant sur le réseau public, le groupe électrogène diesel de secours installé en plus se mettrait en marche, puis l'une des centrales de cogénération redémarrerait, afin que les étapes de traitement biologique puissent être entièrement exploitées et que de la chaleur supplémentaire soit amenée aux digesteurs. «Nous attachons beaucoup d'importance à un concept d'alimentation de secours qui fonctionne, afin de pouvoir agir de manière autonome sur une longue période», explique Christoph Streun.

Lors de la rénovation de l'approvisionnement en énergie, le maintien de la pureté de l'air n'a pas été oublié. L'ajout d'une solution aqueuse d'urée provoque une réaction catalytique dans les gaz d'échappement, ce qui permet de réduire fortement les oxydes d'azote issus du processus de combustion.

Enfin, les exploitants peuvent compter sur le confort du logiciel de commande : Celui-ci est entièrement intégré dans le système de gestion des processus de la STEP et affiche à l'écran toutes les fonctions et tous les états de fonctionnement à l'aide de symboles visuellement attrayants. Et via une application pour smartphone, les signaux d'alarme parviennent aux collaborateurs, même dans leur bureau à domicile, afin qu'ils se rendent sur place le plus rapidement possible pour vérifier que tout va bien sur le vaste site de la STEP.

Le couplage chaleur-force de la STEP de Worblental en chiffres

Besoin en chaleur par an (1ère phase d'extension du réseau de chaleur, estimée)     23 GWh
Dont chaleur à haute température fournie par les centrales de cogénération (estimation) :  5 GWh
Production d'électricité par les deux unités de cogénération en un an (estimé)4 - 5 GWh
Puissance par nouveau module de cogénération, électrique 400 kW
Puissance par nouveau module de cogénération, thermique   419 kW
Plus d'informations :
Association de communes ARA Worblental
Markus Baumann, responsable Projets & Techniques de procédés
ARA-Strasse 50, 3048 Worblaufen
 m.baumann@ara-worblental.ch
ara-worblental.ch
A4 2021 Powerloop STEP Worblental Vue aérienne 2018 1 kl
Vue aérienne de l'état des installations de la STEP de Worblental (2018).
A4 2021 Powerloop ARA Worblen IMG 9310 cut fav kl
Christoph Streun, directeur de la STEP, et Markus Baumann, responsable des projets et de la technique des procédés, sont enthousiasmés par le rendement très élevé des 2 nouvelles centrales de cogénération :
A4 2021 Powerloop ARA Worblen EnZentrale Vers IMG 9326 kl
La nouvelle centrale de chauffage du contractant énergétique EBL sera construite au deuxième étage, au-dessus du bâtiment de la biologie en lit fixe.
A4 2021 Powerloop STEP Worblen Toit n Est IMG 9337 kl
Vue sur le site de la STEP vers le sud. En arrière-plan, les bassins de décantation primaire.
A4 2021 Powerloop ARA Worblen Entrée IMG 9281 kl
La devise de l'association de communes ARA Worblental devant l'entrée.
A4 2021 Powerloop ARA Worblen Prozessleitsys IMG 9313 kl
Le nouveau logiciel de commande pour les centrales de cogénération est entièrement intégré au système de gestion des processus de la STEP.
A4 2021 Powerloop ARA Worblen IMG 9283 kl scaled
Les micro-organismes s'affairent, comme on peut facilement le constater dans l'installation de boues activées.

Lire la suite