Technologies de refroidissement pour la cogénération et la trigénération

La durabilité énergétique est devenue une priorité pour l’industrie : les processus de cogénération et de trigénération offrent une occasion unique de concrétiser cette vision. Les technologies de refroidissement pour la cogénération et la trigénération représentent un outil très important : les tours d’évaporation, les refroidisseurs secs et les refroidisseurs adiabatiques (ou « refroidisseurs secs adiabatiques ») contribuent structurellement à ce cycle de production combiné et, grâce à leurs caractéristiques techniques individuelles, peuvent donner un coup de pouce important à l’efficacité de l’ensemble du système.

Voyons comment et avec quelles spécificités.

1. Centrales de cogénération et de trigénération : en bref

Afin de définir clairement le champ d’application, voici un bref aperçu de la différence entre la cogénération et la trigénération.

• La cogénération (photo ci-dessus) est une technologie qui permet de produire simultanément de l’énergie électrique et thermique (généralement sous forme de vapeur ou d’eau chaude) à partir d’une seule source de combustible, comme le gaz naturel ou la biomasse. En pratique, la cogénération utilise plus efficacement l’énergie contenue dans le combustible que la production séparée d’électricité et de chaleur.
• La trigénération (figure ci-dessus), quant à elle, permet de produire simultanément de l’électricité, de la chaleur et du froid (ou de la climatisation) à partir d’une seule source de combustible. On peut donc dire qu’une centrale de trigénération utilise encore plus efficacement l’énergie contenue dans le combustible que la simple cogénération : en effet, elle exploite une plus grande quantité de chaleur, rejetée par le processus de production d’électricité, pour produire également de la chaleur et du froid. Cela permet de réduire la consommation globale d’énergie d’un bâtiment ou d’une industrie et d’améliorer l’efficacité globale du système.

Il est donc clair que la cogénération et la trigénération améliorent toutes deux l’efficacité énergétique des processus de production.

2. Les composants d'une centrale de trigénération et les technologies de refroidissement

Le processus de trigénération, que nous pouvons considérer comme une extension du processus de cogénération, est basé sur l’utilisation efficace de la chaleur résiduelle produite lors de la production d’électricité pour produire également de l’énergie thermique et du refroidissement.

Il est maintenant nécessaire de se concentrer sur les principales machines impliquées dans le processus de trigénération : cela facilitera également la compréhension de la contribution des technologies de refroidissement.

1. Générateur(s) de gaz : ces générateurs sont alimentés par un combustible (gaz d’échappement, méthane, biométhane, …) et sont utilisés pour produire de l’électricité. Cependant, ils produisent également de la chaleur résiduelle.
2. Condenseur : il est utilisé dans de nombreuses centrales électriques pour condenser la vapeur de traitement épuisée (par exemple, des turbines à vapeur) et la renvoyer vers l’échangeur de chaleur.
3. Échangeur de chaleur (ou générateur de vapeur à récupération de chaleur) : il s’agit d’un élément essentiel du processus de trigénération. Il s’agit en fait des dispositifs qui récupèrent la chaleur perdue au cours du processus de production d’électricité et la transfèrent au service public sous forme de chaleur. Cette chaleur est ensuite utilisée, en aval du processus, à des fins de chauffage ou de production d’eau chaude sanitaire. Ce composant est également présent dans le processus de cogénération.
4. Groupe froid à absorption : produit du froid à partir de la condensation et de l’évaporation. Il comporte un évaporateur et un serpentin de refroidissement qui détend le fluide frigorigène pour produire du froid. Contrairement au compresseur mécanique, le refroidisseur à absorption utilise une source de chaleur fournie directement par un brûleur ou indirectement par de la vapeur, de l’eau chaude ou de la chaleur résiduelle (gaz de combustion) : cela peut se produire par des transformations d’état du réfrigérant (eau) en combinaison avec du bromure de lithium utilisé comme absorbeur. Ce composant n’est présent que dans les processus de trigénération.

Dans ce processus complexe, les technologies de refroidissement interviennent sur deux des machines qui composent le cycle de trigénération : le condenseur et le refroidisseur à absorption, s’il est refroidi à l’eau :

1. Refroidissement du condenseur : il s’agit d’une étape essentielle pour permettre à la vapeur usée de se condenser en eau. Les technologies de refroidissement sont utilisées pour éliminer la chaleur accumulée par le liquide de refroidissement du condenseur pendant son fonctionnement : l’eau de refroidissement, prélevée dans les serpentins du condenseur, est soumise à une dissipation de chaleur par le biais des différentes technologies de refroidissement (évaporative, sèche ou adiabatique, en fonction de la technologie spécifique utilisée). Cette phase est présente, comme nous l’avons vu, dans de nombreux processus de production d’électricité et dans les processus de cogénération et de trigénération.
2. Refroidissement du grupe frigorifique à absorption : l’eau de refroidissement utilisée pour condenser le réfrigérant dans le refroidisseur à absorption (soulignons-le encore une fois : dans le cas des refroidisseurs d’eau, pas des refroidisseurs d’air) est envoyée vers le dispositif de refroidissement. Il peut s’agir, par exemple, d’une tour d’évaporation ou d’un refroidisseur sec adiabatique. L’eau de refroidissement y est exposée à l’air, ce qui favorise l’échange de chaleur et permet à l’échange de chaleur de relancer le processus.

3. Trigénération plus tours d'évaporation, refroidisseurs adiabatiques ou refroidisseurs secs : différences spécifiques

Nous avons vu que les technologies de refroidissement interviennent à deux étapes spécifiques du processus de trigénération : le condenseur et le refroidisseur à absorption.

Mais quelles sont les technologies de refroidissement à privilégier à ces fins entre les tours de refroidissement par évaporation, les aérorèfrigerants secs et les refroidisseurs adiabatiques ? Pour répondre à cette question, il faut connaître les caractéristiques structurelles et les avantages de chaque solution, comme pour toute autre installation industrielle ou civile.

Les avantages spécifiques de chaque technologie de refroidissement dépendent des exigences de l’application et des conditions environnementales environnantes. Voici une description des différents avantages associés à chacune des technologies de refroidissement mentionnées.

Tours de refroidissement par évaporation

• Rendement élevé grâce à l’utilisation d’eau dans le système (et à l’évaporation d’un pourcentage limité de l’eau elle-même). Ce procédé permet d’obtenir des températures de refroidissement plus basses que d’autres technologies avec des surfaces de machine extrêmement réduites.
• Très faible consommation d’énergie : le processus de refroidissement reposant principalement sur l’évaporation de l’eau, les tours d’évaporation nécessitent moins d’énergie que les autres technologies de refroidissement.

Aéroréfrigérants industriels

• Pas d’utilisation d’eau : c’est un système tout air, 100 % du temps.
• Coûts de fonctionnement réduits (aucun système de contrôle et de traitement de l’eau n’est nécessaire).

Refroidisseurs secs adiabatiques

• Optimisation de l’utilisation de l’eau et de l’énergie : pendant les périodes froides, les refroidisseurs adiabatiques fonctionnent à sec, tandis que pendant les périodes chaudes, peu d’eau est utilisée pour pré-refroidir l’air extérieur utile au refroidissement. Tout est géré, de manière automatisée et optimisée, via un panneau de contrôle PLC.
• Meilleur compromis entre efficacité et économies de ressources, conséquence directe de ce mode de fonctionnement « mixte » et automatisé.
• Réduction de la consommation d’eau : par rapport aux tours d’évaporation, les refroidisseurs secs adiabatiques nécessitent naturellement moins d’eau pour le refroidissement.

On constate donc que le choix de la technologie de refroidissement la plus appropriée dépend de facteurs tels que l’efficacité énergétique souhaitée, les performances, la disponibilité de l’eau, la capacité thermique à dissiper, l’espace disponible et l’environnement d’exploitation.

4. Refroidissement "intelligent" dans les centrales de cogénération et de trigénération : logiciel de sélection et économies d'énergie

La technologie de refroidissement « intelligente » dans les centrales de cogénération et de trigénération peut bénéficier de l’utilisation de logiciels de configuration et d’économie d’énergie et d’eau. Ces solutions avancées permettent d’obtenir diverses informations et avantages.

Tout d’abord, une sélection optimale pour le projet de trigénération individuel : le logiciel de sélection pour le refroidissement dans les centrales de trigénération permet d’évaluer les températures ambiantes et de bulbe humide, fournissant des données fondamentales pour un dimensionnement correct et une sélection entre les différentes technologies en fonction de leurs caractéristiques. L’efficacité et l’optimisation des ressources sont garanties de la manière la plus « objective » possible.

En comparant les différentes technologies de refroidissement en fonction des spécifications du projet, ce logiciel de configuration permet également de calculer le retour sur investissement : un moyen supplémentaire de prendre des décisions éclairées et de réduire les coûts d’exploitation.

5. En conclusion : les technologies de refroidissement pour la cogénération et la trigénération et l'efficacité énergétique

La directive de la Commission européenne n° 2004/8/CE a souligné l’importance des processus de cogénération et de trigénération, mais c’est surtout au cours des dernières années que l’on a pris conscience du besoin urgent d’une utilisation optimisée, durable et circulaire des sources d’énergie.

La durabilité énergétique et économique, ainsi que l’efficacité des processus industriels, peuvent être atteintes en sélectionnant les bons refroidisseurs industriels pour les centrales de cogénération et de trigénération : un objectif facilité par des programmes de calcul avancés et la disponibilité d’une large gamme de systèmes de refroidissement à choisir.