Optimisation du fonctionnement de la chaudière et de l open buffer

Optimisation du fonctionnement de la chaudière et de l open buffer E. BRAJEUL D. LESOURD, A. GRISEY (Ctifl) T. BEAUSSE (Gaz de France) Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 1

Plan de l intervention 1. La chaufferie : mise en œuvre et réglementation 2. Mise en œuvre du condenseur 3. Mise en œuvre de l open buffer 4. Optimisation de la chaufferie avec open buffer Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 2

1. Les équipements de chauffage Chaque chaufferie doit être adaptée : - aux besoins spécifiques propres à chaque serre et à son environnement énergétique, - à la présence ou non d une cogénération, - àla stratégie de l exploitant, - aux caractéristiques géographiques et climatiques du lieu. Elle doit satisfaire des critères de conception, d exploitation, d entretien et de réglage. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 3

1. Les équipements de chauffage Le rendement de la combustion : C est le réglage de combustion pour un excès d air minimum et pas d imbrûlés. La performance thermique : C est rejeter les fumées à la température la plus basse possible et au niveau de condensation de la vapeur d eau des gaz de combustion. La souplesse : C est répondre aux besoins le plus rapidement possible et sur la plage de fonctionnement la plus étendue. La fiabilité/la sécurité La longévité Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 4

1. Les équipements de chauffage Maîtrise de l hydraulique - connaissance des pertes de charge, des débits d eau des différents circuits et des pressions, - schéma synthétique d ensemble affiché en permanence en chaufferie, - bon équilibrage des différents réseaux, - quantification des appoints d eau compensant les fuites / traitement de l eau, - maintien en pression des réseaux d eau, en évitant les vases d expansion à l air libre. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 5

1. Les équipements de chauffage Choix du brûleur - Caractéristiques : type de combustible, plage de fonctionnement, type de brûleur, - Bonne adéquation chaudière / brûleur et puissance installée / besoins des serres, - Brûleur modulant : permet d optimiser la puissance en fonction des besoins en serre, - Augmentation de la performance du brûleur avec l acquisition d une sonde à oxygène qui améliore la combustion par régulation de la teneur en oxygène dans le foyer. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 6

1. Les équipements de chauffage Amélioration du rendement de la chaudière - Régler la combustion avec un excès d air minimum et peu d imbrûlés. Rendement moyen CO 2 récupérable Gaz Naturel Propane Fioul lourd Fioul domestique 90 à 95 % 90 à 95 % 85% 88 % Oui : 1 m 3 1,8 kg Oui : 1 m 3 5,7 kg Bois 60 à 85% Charbon 70 à 80 % Non Non Non Non Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 7

1. Les équipements de chauffage Amélioration du rendement de la chaudière - 1% de rendement en moins engendre pour une même puissance utile allant en serre une augmentation de l énergie primaire consommée. Chaudière de 100 KW 1 % de rendement en moins Soit pour un fonctionnement annuel de 5000 h (~ 6 mois) Gaz Naturel Propane Fioul lourd Fioul domestique 3,32 c /h 5,60 c /h 3,20 c /h 5,30 c /h 166 280 160 265 Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 8

1. Les équipements de chauffage Importance du calorifugeage Perte par conduction Calorifuge Eau Bien calorifuger son réseau, c est éviter des déperditions de 1000 W/m et cela permet de réaliser une économie d énergie d environ 3 %. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 9

1. Les équipements de chauffage Optimisation de la production d énergie - Ballon de stockage d eau chaude Déconnecter consommation de chaleur et de CO 2 - Cas particulier : open buffer Déconnecter production et consommation de chaleur - Logiciel spécifique de gestion Adapter la production de chaleur au contrat d approvisionnement en énergie Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 10

1. La chaufferie : rappel de la réglementation Les installations de combustion relèvent de la rubrique 2910 de la nomenclature des installations classées pour la protection de l environnement (ICPE). Cette rubrique définit les seuils de déclaration et d autorisation selon la puissance de l installation. A partir de 2 MW Déclaration A partir de 20 MW Autorisation Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 11

1. La chaufferie : rappel de la réglementation Contrôles et opérations d entretien Le décret n 98-817 du 11 septembre 1998 relatif aux rendements minimaux et à l équipement des chaudières de puissance nominale comprise entre 400 kw et 50 MW impose de calculer au moins tous les 3 mois pendant la période de fonctionnement, et à chaque remise en route, le rendement caractéristique de la chaudière. Les résultats doivent être consignés dans un livret de chaufferie. Puissance en MW Fioul domestique Fioul lourd Combustibles gazeux Chaudières neuves 0,4<P<50 89 88 90 Chaudières existantes 0,4<P<2 85 84 86 2<P<10 86 85 87 10<P<50 87 86 88 Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 12

1. La chaufferie : rappel de la réglementation Contrôles et opérations d entretien Éléments de contrôle obligatoires (décret n 98-817 du 11 septembre 1998) Puissance 400 kw < P 2 MW 2 MW < P 10 MW 10 MW < P 50 MW T C (fumées) Analyseur des Gaz de Combustion : % CO 2 ou % O 2 Déprimomètre (sauf si foyer en surpression) Indicateur Portatif Indicateur Enregistreur Automatique Fonctionnement Indicateur d allure de fonctionnement Indicateur de débit de combustible ou de fluide caloporteur Pression de vapeur - Enregistreur T C (fluide caloporteur) Indicateur Enregistreur Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 13

1. La chaufferie : rappel de la réglementation Contrôles et opérations d entretien Le décret n 98-833 du 16 septembre 1998 impose pour les installations de 1 MW et plus, une visite tous les 3 ans par un organisme agréé par le Ministère de l industrie. Objectif des visites : - calcul du rendement caractéristique des chaudières, - vérification des appareils de contrôle, - contrôle du bon état de l installation de distribution, - vérification de la qualité de combustion, - contrôle de la tenue du livret. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 14

1. La chaufferie : rappel de la réglementation Valeurs limites d émission (arrêté du 25 juillet 1997 pour les installations soumises à déclaration) Gaz naturel Combustibles Catégorie Gaz de pétrole liquéfiés Fioul domestique Autres combustibles liquides Combustibles solides Biomasse Oxydes de soufre Oxydes d azote P<10 MW P>10 MW Nouvelle 150* 100 35 Existante 225* 150 Nouvelle 200* 150 5 Existante 300* 225 Nouvelle 350 200* 150 Existante 170 ( en 2008) 300* 225 Nouvelle 550* 500 1700 Existante 825* 750 Nouvelle 550* 2000 Existante 825* Nouvelle 500 200 Existante 750 Poussières P<4 MW 4<P<10 MW 5 5 50 P>10 MW 150 100 100* 150 100 100* 150 100 100* Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 15

1. La chaufferie : rappel de la réglementation Autres points (rubrique n 2910 ICPE) : - hauteur de cheminée, - bâtiment de chaufferie (implantation, accès, ventilation, comportement au feu des bâtiments, équipements ), - stockage des combustibles. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 16

1. La chaufferie : diagnostic, contrôles et maintenance Le diagnostic énergétique de sa chaufferie permet d améliorer les performances de son installation et d identifier des pistes d économie d énergie. Des contrôles réguliers des températures d eau et de fumées permettent de vérifier le bon fonctionnement de son installation. Le nettoyage des corps de chauffe du côté «eau» et du côté «fumées» permet d optimiser l échange thermique. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 17

2. Mise en oeuvre du condenseur Principe - Associé à une chaudière traditionnelle utilisant des combustibles gazeux (gaz naturel, propane, butane), - Permet de récupérer de l énergie rejetée par les produits de combustion sous forme de chaleur sensible et latente en abaissant la température des fumées. Cette énergie sert à produire de l eau à une température de 40 à 60 C. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 18

2. Mise en oeuvre du condenseur Principe - La quantité de chaleur récupérée permet d augmenter le rendement de la chaudière et ainsi d atteindre des rendements proches de 105 % sur le PCI, - Pour atteindre le rendement optimal, il convient d avoir une température de retour de chauffage inférieure à 50 C. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 19

2. Mise en oeuvre du condenseur Optimisation Température de retour Chauffage Rendement sur PCI % 50 C 97,5 40 C 101,5 DT= 10 C Perte de 4 % Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 20

3. Mise en oeuvre de l open buffer Principe - Permet le découplage total de la production de chaleur et de sa distribution dans la serre. - Le fonctionnement du brûleur à régime constant relativement faible optimise le rendement de combustion et maximise la production de CO 2 sur de longues périodes en phase avec les besoins des plantes. - Un fonctionnement à régime constant permet également d écrêter les pics de consommation de combustible. - Présente un intérêt particulier pour les chaudières à biomasse. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 21

3. Mise en oeuvre de l open buffer Comparaison système traditionnel (classique) et Open Buffer Ballon de stockage Ballon de stockage Stockage traditionnel Stockage type Open Buffer Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 22

3. Mise en oeuvre de l open buffer Aménagements - Chaudière pour produire de la chaleur à température constante grâce à un brûleur modulant et à une pompe de charge à débit variable. - Pompes à débit variable au niveau des réseaux d alimentation des serres, de manière à permettre une bonne maîtrise de la température des eaux de retour, afin d obtenir une bonne stratification des températures verticales dans le ballon de stockage (90 à 95 C en haut 40 à 45 C en bas). Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 23

3. Mise en oeuvre de l open buffer Aménagements - Remplissage du ballon piloté par un outil informatique en fonction de consignes fixes ou d une modélisation des besoins thermiques des serres. - Capacité du ballon de stockage plus importante qu un ballon classique : environ 150-200 m 3 /ha installé. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 24

4. Optimisation de la chaufferie avec open buffer 1. Présentation de l étude menée sur le site du Ctifl de Carquefou 2. L open buffer 3. Le condenseur 4. Le ballon de stockage 5. L injection de CO 2 Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 25

4.1. Analyse d une serre instrumentée Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 26

4.1.Un ensemble mis sous surveillance Compt. Compt. Temp Fumées vers atmosphère Temp Fumées vers atmosphère Temp CO2 Gaz de Combustion CO2 Vers Compt. Temp Régulateur Régulateur Temp Départ Eau Chaude Temp Variateur de fréquence Départ Eau Chaude Temp position 90 C 90 lateur 1116 kw 1116 kw positio Temp x 12 200 m3 Economiseur position Brûleur gaz naturel Comptage gaz naturel Temp position Eau de recyclage position comptage gaz naturel Brûleur gaz naturel position Temp position Eau de recyclage Temp Evacuation de l'eau condensée des gaz de combustion 65C Temp Compt. Compt. 180 voies de mesures, par pas d acquisition de 10, Temp Pour des semaines types, Différentes configurations. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 27

4.1. Les cas de fonctionnement 100 DJU semaine = différence de température entre la serre et l'extérieur 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Temps froid Temps moyen Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel Temps doux Temps doux sans Open Buffer Temps chaud mode nivellement mo d e co nso mmat io n Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 28

4.2. Comparaison des rendements «moyens» 102,5% Rendement chaudière 102,0% 101,5% 101,0% 100,5% 100,0% 99,5% 99,0% 98,5% Temps froid Temps moyen Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode nivellement Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode co nso mmat io n Temps doux Temps doux sans Open Buffer Temps chaud Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 29

4.2. Analyse des différences de rendements On constate 2 à 5 % de différence de rendement dus à différents effets cumulatifs qui sont principalement : un fonctionnement plus régulier évitant ainsi les arrêts et démarrages, une combustion mieux maîtrisée avec un excès d air optimisé hors allure réduite, une température d eau alimentation du condenseur plus basse. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 30

4.2. Comparaison des débits de gaz appelés dans la semaine Fonctionnement moyen avec open buffer Fonctionnement moyen sans open buffer kwhpcs Gaz 1+Gaz 2 kwhpcs Gaz 1+Gaz 2 1000 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100-03/04 04/04 05/04 06/04 07/04 08/04 09/04 10/04 11/04 12/04 Temps doux AVEC open buffer 900 800 700 600 500 400 300 200 100-15/04 16/04 17/04 18/04 19/04 20/04 21/04 22/04 23/04 24/04 Temps doux SANS open buffer Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 31

55 50 Température alimentation ( C) 4.3. Le condenseur 45 55 Température retour eau vers condenseur 40 35 50 Rendement moyen 30 99.5% 100.0% 100.5% 101.0% 101.5% 102.0% 102.5% 45 40 35 30 Temps froid pilotage manuel Temps moyen Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode nivellement Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode Temps doux Temps doux sans Open Buffer Temps chaud Serres horticoles et énergie, quel avenir? consommation 30 et 31 janvier 2008 32

Tem pératures des niveaux du Ballon de stockage 100 4.4. Evolution des températures dans le ballon de stockage Temp B1 Temp B2 Temp B3 Temp B4 Temp B5 Temp B6 Temp B7 Temp B8 Temp B9 Temp B10 Temp B11 Temp B12 Tem pérature moyenne Temps chaud 90 80 70 60 50 40 20/mai 0:00 21/mai 0:00 22/mai 0:00 23/mai 0:00 24/mai 0:00 25/mai 0:00 26/mai 0:00 27/mai 0:00 28/mai 0:00 29/mai 0:00 Tem pératures des niveaux du Ballon de stockage 100 Temp B1 Temp B2 Temp B3 Temp B4 Temp B5 Temp B6 Temp B7 Temp B8 Temp B9 Temp B10 Temp B11 Temp B12 T em pérature m o yenne Temps moyen 90 80 70 60 50 40 28/mars 12 :0 0 29/mars 0:00 Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 33 29/mars 12 :0 0 30/mars 0:00 30/mars 12 :0 0 31/mars 0:00 31/mars 12 :0 0 01/avr 0:00 0 1/avr 12 :0 0 02/avr 0:00 02/avr 12 :0 0 03/avr 0:00 03/avr 12 :0 0 04/avr 0:00 04/avr 12 :0 0 0 5/avr 0:00 0 5/avr 12 :0 0

4.4. Stratification des températures dans le ballon de stockage 90 80 70 60 50 40 28/mars 29/mars 29/mars 30/mars 30/mars 31/mars 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 31/mars 12:00 01/avr 0:00 Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 34 01 12

4.4. Le Ballon de stockage 76 Température moyenne ballon 74 72 70 68 66 64 62 60 58 Temps froid pilotage manuel Temps moyen Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode nivellement Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode consommation Temps doux Temps doux sans Open Buffer Temps chaud Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 35

60% 4.4. Le Ballon de stockage Part du ballon dans la fourniture d'énergie 50% 40% 30% 20% 10% 0% Temps froid Temps moyen Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode nivellement Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode consommation Temps doux Temps doux sans Open Buffer Temps chaud Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 36

80% 4.4. Le Ballon de stockage Taux d'activité du ballon 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Temps froid Temps moyen Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode nivellement Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode consommation Temps doux Temps doux sans Open Buffer Temps chaud Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 37

4.5. L injection de CO 2 en serres 80% Taux de récupération de CO 2 dans la journée par rapport aux émissions de la chaudière 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Temps froid Temps moyen Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode nivellement Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode consommation Temps doux Temps doux sans Open Buffer Temps chaud Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 38

4.5. L injection de CO 2 en serres 120 MWh PCS pour la semaine 100 80 60 40 20 0 Temps froid Temps moyen Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode nivellement Temps moyen Open Buffer avec consignes logiciel mode consommation Temps doux Temps doux sans Open Buffer Temps chaud Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 39

4.5. L injection de CO 2 en serres 800 ppm moyen de CO 2 700 600 500 400 300 200 100 0 Temps froid Temps moyen Temps moyen Temps moyen Temps doux Temps doux Temps chaud Open Buffer Open Buffer sans Open avec consignes avec consignes Buffer logiciel mode logiciel mode nivellement consommation Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 40

Quelques points de bonne gestion Compter l énergie dépensée, Calculer les ratios en fonction de la surface, de la température moyenne extérieure et de l ensoleillement, Comparer avec ce qui se fait de mieux dans le secteur, Vérifier les appoints d eau, Agir si la moindre dérive est constatée, Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 41

Quelques points de bonne gestion Solliciter un œil extérieur qui ne verra pas la même chose que vous, Vérifier la combustion régulièrement par du personnel compétent, Ne pas hésiter à faire effectuer des équilibrages hydrauliques à l aide d instruments de mesures, Travailler la stratification des ballons, Ne pas hésiter à dédier des circuits basses températures aux condenseurs. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 42

Conclusions Les points à retenir : 1. S informer et se former, 2. Garder son esprit critique et se méfier des situations dites «normales», 3. Ne pas hésiter à s entourer de «spécialistes», 4. Conserver son bon sens et se méfier des utopies thermiques, 5. Prendre son temps avant l action, 6. Agir. Merci de votre attention Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier 2008 43

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