La pompe à chaleur industrielle améliore l’efficacité d’une chaudière à gaz de l’aéroport de Copenhague
La rénovation d’anciennes chaudières à gaz s’est transformée en un projet visant à utiliser l’énergie des gaz d’échappement grâce à une pompe à chaleur industrielle. Le résultat est que le rendement de la combustion du gaz est supérieur à cent pour cent.
Dans la partie ouest de Maglebylille de l’aéroport de Copenhague (plus précisément connu sous le nom de CPH), il existe un réseau de chauffage interne. Début 2018, il a été décidé de remplacer les anciennes chaudières à gaz à faible rendement qui dataient des années 1960. Le système comprend désormais une chaudière au gaz naturel de trois mégawatts (3 MW) et une de 2 MW ainsi qu’une pompe à chaleur industrielle de 600 kilowatts (kW).
Les fumées sont condensées grâce à une pompe à chaleur
« Lorsque nous avons commencé à rénover le système de chauffage, nous voulions voir l’ensemble d’une nouvelle manière », déclare Klaus Borge, chef de projet à l’aéroport de Copenhague. « Le consultant en énergie participant à la conception a suggéré de récupérer la température des gaz d’échappement en utilisant une pompe à chaleur, afin que nous puissions améliorer considérablement le rendement de la chaudière. En même temps, nous sommes passés de la consommation d’énergie du gaz, à l’électricité renouvelable, ce qui est notre objectif. »
Selon Borge, de nombreuses installations de la région sont relativement anciennes et la température de l’eau de retour du réseau de chauffage est assez élevée. En effet, autrefois, ils essayaient de faire des constructions avec un coût le moins élevé possible et les échangeurs de chaleur étaient petits.
La température de l’eau d’alimentation en hiver est de 85 à 90 degrés centigrades (°C) et le retour est d’environ 60 °C. En été, l’alimentation est de 70 °C et le retour de 50 à 55 °C. Avec un tel retour de chaleur, il ne serait pas possible de refroidir beaucoup les gaz de combustion et l’énergie contenue dans les gaz de combustion serait en grande partie gaspillée. Grâce à une pompe à chaleur, il est possible de refroidir le gaz à une température plus basse tandis que la pompe fonctionne avec un excellent rendement.
« La température des gaz de combustion de la chaudière est d’environ 150 °C », poursuit Borge. « Le déplacement se fait à travers le condenseur, où la température est abaissée à environ 30 à 35 °C grâce à la pompe à chaleur. Grâce à la basse température, l’humidité du gaz est condensée en eau, ce qui augmente la quantité d’énergie récupérée et améliore considérablement l’efficacité du système. »
Haute température et excellent contrôle
« Au début du projet, nous avons discuté d’une pompe à chaleur d’un autre fabricant, mais ce fournisseur n’offrait pas de pompe de la bonne taille », explique Borge. « Ensuite, nous avons discuté avec Søren Gram, directeur de Svedan Industri Køleanlæg A/S, détaillant d’Oilon. Søren nous a présenté les pompes à chaleur de la série Oilon ChillHeat P 300, qui ont des spécifications parfaites pour nous.
« La pompe à chaleur d’Oilon peut produire une température très élevée qui est facilement suffisamment élevée pour l’alimentation en eau du chauffage urbain. Grâce à ses quatre compresseurs et à sa commande par onduleur, la pompe peut être très bien contrôlée à haut rendement avec des charges partielles et son fluide frigorigène HFO respectueux de l’environnement est également approuvé au Danemark. Dans les conditions de conception de ce projet, la consommation électrique de la pompe est de 155 kW et COP 4.0. »
« La qualité de la pompe à chaleur d’Oilon et le fonctionnement de l’usine dans son ensemble sont excellents. Au stade de l’installation et de la mise en service, nous avons obtenu une assistance compétente et de haute qualité de la part de l’usine, ce qui nous a permis de mettre le système en service en ne rencontrant que des problèmes mineurs. De même, le service de Svedan Industry a été de très bonne qualité. »
La pompe à chaleur utilise la chaleur des gaz de combustion
Le centre de chauffage de l’aéroport dispose désormais de deux chaudières, une chaudière au gaz naturel de 3 MW et une chaudière de 2 MW. La chaudière de 3 MW est reliée à un condenseur qui refroidit les gaz de combustion. La deuxième chaudière est en réserve et peut-être utilisée lorsqu’il fait plus froid. Elle se met en route si la température est inférieure à -10 °C pendant une semaine. La chaudière de rechange souffle les gaz de combustion chauds dans le ciel.
À l’heure actuelle, les pompes à chaleur sont rarement utilisées pour la récupération de la chaleur des gaz de combustion, et ceci au niveau du monde entier.
Le point de rosée des fumées d’une chaudière à gaz naturel est d’environ 55 °C. En condensant les gaz de combustion, il est possible de produire au mieux environ 10 % de puissance en plus. Jusqu’à 180 litres d’eau condensée se forme par heure. L’eau de condensation absorbe également les impuretés des gaz de combustion ; nettoyant ainsi les gaz de combustion. Le condensat neutralisé est évacué dans l’égout.
La centrale de chauffage produit environ 10 000 mégawattheures (MWh) de chaleur par an, ce qui équivaut à la consommation d’environ 500 habitations privées. Pour produire de la chaleur, environ un million de mètres cubes de gaz naturel et 400 MWh d’électricité sont utilisés. Les économies réalisées grâce à la pompe à chaleur sont estimées à environ 1 000 MWh par an.
Électricité et efficacité énergétique au lieu du gaz naturel
« Il y a une forte pression pour réduire nos émissions de gaz à effet de serre et montrer que CPH sera un aéroport sans émissions en 2030 », déclare Klaus Borge. « La pompe à chaleur d’Oilon avec sa capacité de chauffage de 600 kW dispose d’un excédent de puissance pour refroidir nos fumées. Notre intention, cependant, est de doter le système d’échangeurs de chaleur à circulation de glycol à l’extérieur, qui récupèrent l’énergie de l’air extérieur du printemps à l’automne et nous pourrons ensuite fermer la chaudière à gaz pour la période estivale. »
« Sur le toit de la maison à côté de nous, il y a maintenant des panneaux solaires de 125 kW et 250 kW de plus sont en cours d’installation. Nous avons même envisagé d’acquérir des batteries pour que la pompe à chaleur puisse fonctionner à l’énergie solaire la nuit.
Selon Borge, le prix de l’électricité pour CPH est d’environ une couronne danoise par kilowattheure (1 DKK/kWh). Le prix du gaz naturel est d’environ 5 DKK/m3 soit 0,50 DKK/kWh. La pompe à chaleur produit cependant quatre fois plus de chaleur par rapport à sa consommation d’électricité, de sorte que le chauffage avec la pompe ne coûte que la moitié du prix par rapport au gaz. Le Danemark a quelques gisements de gaz en mer du Nord mais le gouvernement actuel veut les fermer. D’autre part, de plus en plus de biogaz est produit au Danemark.
« CPH a été en mesure de réduire considérablement sa consommation d’énergie année après année, mais il reste encore beaucoup à faire », déclare Borge. « Il est clair que nous allons utiliser plus d’électricité renouvelable au lieu du gaz. Toute l’électricité excédentaire est actuellement utilisée pour recharger les voitures électriques et il faut du temps pour renforcer le réseau. La quantité d’énergie solaire augmentera fortement. »
« Nous investissons massivement dans les économies d’énergie et les pompes à chaleur jouent un rôle important à cet égard. Une pompe à chaleur se rembourse en quatre ans, c’est donc aussi un investissement très rentable.