Optimisation du fonctionnement de la chaudière et de l...
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Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 1
Ctifl
Optimisationdu fonctionnement
de la chaudièreet de l’open buffer
E. BRAJEULD. LESOURD, A. GRISEY (Ctifl)T. BEAUSSE (Gaz de France)
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 2
CtiflPlan 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 3
Ctifl1. Les équipements de chauffage
Elle doit satisfaire des critères de conception, d’exploitation, d’entretien et de réglage.
• 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,- à la stratégie de l’exploitant,- aux caractéristiques géographiques et
climatiques du lieu.
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 4
Ctifl1. 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
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Ctifl1. 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 6
Ctifl1. 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.
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Ctifl
• Amélioration du rendement de la chaudière
- Régler la combustion avec un excès d’air minimum et peu d’imbrûlés.
1. Les équipements de chauffage
Gaz Naturel Propane Fioul lourd
Fioul domestique Bois Charbon
Rendement moyen 90 à 95 % 90 à 95 % 85% 88 % 60 à
85%70 à 80
%CO2récupérable
Oui : 1 m3
1,8 kg Oui : 1 m3
5,7 kg Non Non Non Non
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Ctifl
• 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 Gaz Naturel Propane Fioul
lourdFioul
domestique 1 % de rendement en moins 3,32 c€/h 5,60 c€/h 3,20 c€/h 5,30 c€/h
Soit pour un fonctionnement annuel de 5000 h (~ 6 mois)
166 € 280 € 160 € 265 €
1. Les équipements de chauffage
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 9
Ctifl
• Importance du calorifugeage
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 %.
Eau
Calorifuge
Perte par conduction
1. Les équipements de chauffage
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 10
Ctifl
• Optimisation de la production d’énergie
- Ballon de stockage d’eau chaudeDéconnecter consommation de chaleur et de CO2
- Cas particulier : open bufferDéconnecter production et consommation de chaleur
- Logiciel spécifique de gestionAdapter la production de chaleur au contrat d’approvisionnement en énergie
1. Les équipements de chauffage
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 11
Ctifl 1. La chaufferie : rappel de la réglementationLes 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 12
Ctifl
• Contrôles et opérations d’entretien
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 84 862<P<10 86 85 8710<P<50 87 86 88
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 MWimpose 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.
1. La chaufferie : rappel de la réglementation
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 13
Ctifl
• Contrôles et opérations d’entretienÉléments 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) Indicateur
Analyseur des Gaz de Combustion :
% CO2 ou % O2 Portatif Automatique
Déprimomètre (sauf si foyer en surpression) Indicateur Enregistreur
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
1. La chaufferie : rappel de la réglementation
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 14
Ctifl 1. La chaufferie : rappel de la réglementation
• Contrôles et opérations d’entretienLe décret n° 98-833 du 16 septembre 1998impose 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 15
Ctifl 1. La chaufferie : rappel de la réglementation
• Valeurs limites d’émission (arrêté du 25 juillet 1997 pour les installations soumises à déclaration)
Combustibles Catégorie Oxydes de soufre
Oxydes d’azote Poussières
P<10 MW
P>10 MW P<4 MW 4<P<10
MW P>10 MW
Gaz naturelNouvelle
35150* 100
5Existante 225* 150
Gaz de pétrole liquéfiésNouvelle
5200* 150
5Existante 300* 225
Fioul domestiqueNouvelle 350
170 ( en 2008)
200* 15050Existante 300* 225
Autres combustibles liquides
Nouvelle1700
550* 500150 100 100*
Existante 825* 750
Combustibles solidesNouvelle
2000550*
150 100 100*Existante 825*
BiomasseNouvelle
200500
150 100 100*Existante 750
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 16
Ctifl 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 17
Ctifl 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 18
Ctifl2. 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 àune température de 40 à 60 °C.
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 19
Ctifl2. 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 20
Ctifl2. 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 %
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Ctifl3. 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 CO2 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.
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Ctifl3. Mise en oeuvre de l’open buffer
• Comparaison système traditionnel (classique) etOpen Buffer
Stockage traditionnel
Stockage type Open Buffer
Ballon de stockage
Ballon de stockage
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Ctifl3. 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 24
Ctifl3. 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 m3/ha installé.
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 25
Ctifl 4. Optimisation de la chaufferie avec open buffer
1. Présentation de l’étude menée sur le sitedu Ctifl de Carquefou
2. L’open buffer
3. Le condenseur
4. Le ballon de stockage
5. L’injection de CO2
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Ctifl 4.1. Analyse d’une serre instrumentée
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 27
Ctifl
DépartEau Chaude
Fumées vers atmosphère
comptage gaz naturel
Economiseur
Brûleurgaz naturel
Gaz de Combustion CO2 Vers
Evacuation de l'eau condensée des gaz de combustion
Eau de recyclage
1116 kW
Variateur de fréquence
Régulateur
200 m3
65C
90°CDépartEau Chaude
Fumées vers atmosphère
Comptage gaz naturel
lateur
Brûleurgaz naturel
Eau de recyclage
1116 kW
Régulateur
C ompt .
C o mp t . C ompt .
C o mp t . C o mp t .
Temp x 12
Temp
T emp
Temp
T emp
Temp Temp
T emp
Temp
TempTemp
C O2
Temp
p osit ion
p osit ionposit io n
po sit ionposit ion
po sit io n
po sit io
Temp
90
• 180 voies de mesures, par pas d’acquisition de 10’,
• Pour des semaines types,
• Différentes configurations.
4.1.Un ensemble mis sous surveillance
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Ctifl
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
T emp s f ro idp ilo t ag e manuel
Temps mo yenp ilo t ag e manuel
T emps mo yen OpenB uf f er avec
co nsig nes lo g icielmod e nivellement
Temps mo yen OpenB uf f er avec
co nsignes log icielmo de co nsommat io n
T emps d o uxp ilo t age manuel
T emp s d oux sansOp en B uf f er
T emp s chaudp ilo t age manuel
DJU semaine = différence de température entre la serre et l'extérieur
4.1. Les cas de fonctionnement
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 29
Ctifl 4.2. Comparaison des rendements « moyens »
98,5%
99,0%
99,5%
100,0%
100,5%
101,0%
101,5%
102,0%
102,5%
Temps f ro idp ilo t age manuel
Temps moyenp ilo t age manuel
Temps mo yen OpenB uf f er avec
co nsignes lo g icielmod e nivellement
T emps moyen OpenB uf f er avec
co nsignes lo g icielmode
consommat io n
Temp s do uxp ilo t ag e manuel
Temp s do ux sansOpen B uf f er
Temps chaudp ilo t age manuel
Rendement chaudière
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 30
Ctifl 4.2. Analyse des différencesde rendementsOn 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 31
Ctifl 4.2. Comparaison des débits de gaz appelés dans la semaine
Gaz 1 + Gaz 2
-
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1 000
03/04 04/04 05/04 06/04 07/04 08/04 09/04 10/04 11/04 12/04
kWh PCS Gaz 1 + Gaz 2
-
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1 000
15/04 16/04 17/04 18/04 19/04 20/04 21/04 22/04 23/04 24/04
kWh PCS
Temps doux AVEC open buffer
Temps doux SANS open buffer
Fonctionnement moyen avec open buffer
Fonctionnement moyen sans open buffer
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 32
Ctifl
30
35
40
45
50
55
Temps froid pilotagemanuel
Temps moyenpilotage manuel
Temps moyen OpenBuffer avec
consignes logicielmode nivellement
Temps moyen OpenBuffer avec
consignes logicielmode
consommation
Temps douxpilotage manuel
Temps doux sansOpen Buffer
Temps chaudpilotage manuel
Température retour eau vers condenseur
4.3. Le condenseur
30
35
40
45
50
55
99.5% 100.0% 100.5% 101.0% 101.5% 102.0% 102.5%
Température alimentation (°C)
Rendement moyen
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 33
Ctifl 4.4. Evolution des températuresdans le ballon de stockage
T e m p é r a t u r e s d e s n iv e a u x d u B a llo n d e s t o c k a g e
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
1 0 0
2 0 / m a i 0 : 0 0 2 1 / m a i 0 : 0 0 2 2 / m a i 0 : 0 0 2 3 / m a i 0 : 0 0 2 4 / m a i 0 : 0 0 2 5 / m a i 0 : 0 0 2 6 / m a i 0 : 0 0 2 7 / m a i 0 : 0 0 2 8 / m a i 0 : 0 0 2 9 / m a i 0 : 0 0
T e m p B 1 T e m p B 2 T e m p B 3T e m p B 4 T e m p B 5 T e m p B 6T e m p B 7 T e m p B 8 T e m p B 9T e m p B 10 T e m p B 11 T e m p B 12T e m p é r a t u r e m o y e n n e
Temps chaud
T e m p é r a t u r e s d e s n iv e a u x d u B a llo n d e s t o c k a g e
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
1 0 0
2 8 / m a r s12 : 0 0
2 9 / m a r s0 : 0 0
2 9 / m a r s12 : 0 0
3 0 / m a r s0 : 0 0
3 0 / m a r s12 : 0 0
3 1/ m a r s0 : 0 0
3 1 / m a r s12 : 0 0
0 1 / a v r0 : 0 0
0 1/ a v r12 : 0 0
0 2 / a v r0 : 0 0
0 2 / a v r12 : 0 0
0 3 / a v r0 : 0 0
0 3 / a v r12 : 0 0
0 4 / a v r0 : 0 0
0 4 / a v r12 : 0 0
0 5 / a v r0 : 0 0
0 5 / a v r12 : 0 0
T e m p B 1 T e m p B 2 T e m p B 3T e m p B 4 T e m p B 5 T e m p B 6T e m p B 7 T e m p B 8 T e m p B 9T e m p B 10 T e m p B 11 T e m p B 12T e m p é r a t u r e m o y e n n e
Temps moyen
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 34
Ctifl 4.4. Stratification des températures dans le ballon de stockage
40
50
60
70
80
90
28/mars12:00
29/mars0:00
29/mars12:00
30/mars0:00
30/mars12:00
31/mars0:00
31/mars12:00
01/avr0:00
0112
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 35
Ctifl 4.4. Le Ballon de stockage
58
60
62
64
66
68
70
72
74
76
Temps froid pilotagemanuel
Temps moyenpilotage manuel
Temps moyen OpenBuffer avec
consignes logicielmode nivellement
Temps moyen OpenBuffer avec
consignes logicielmode
consommation
Temps douxpilotage manuel
Temps doux sansOpen Buffer
Temps chaudpilotage manuel
Température moyenne ballon
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 36
Ctifl 4.4. Le Ballon de stockage
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
T emps fro idpilo tage manuel
T emps mo yenpilo tage manuel
T emps mo yenOpen B uffer avecco nsignes lo gicie lmo de nivellement
T emps mo yen OpenB uffer avec
co nsignes lo gic ielmo de
co nso mmatio n
T emps do uxpilo tage manuel
T emps do ux sansOpen B uffer
T emps chaudpilo tage manuel
Part du ballon dans la fourniture d'énergie
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 37
Ctifl 4.4. Le Ballon de stockage
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
T emps f ro idpilo tage manuel
T emps mo yenpilo tage manuel
T emps mo yenOpen B uffer avecco nsignes lo gicielmo de nivellement
T emps mo yen OpenB uffer avec
co nsignes lo gicielmo de
co nso mmatio n
T emps do uxpilo tage manuel
T emps do ux sansOpen B uffer
T emps chaudpilo tage manuel
Taux d'activité du ballon
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 38
Ctifl 4.5. L’injection de CO2 en serres
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
Temps froidpilotage manuel
Temps moyenpilotage manuel
Temps moyenOpen Buffer avecconsignes logicielmode nivellement
Temps moyenOpen Buffer avecconsignes logiciel
modeconsommation
Temps douxpilotage manuel
Temps doux sansOpen Buffer
Temps chaudpilotage manuel
Taux de récupération de CO2 dans la journée par rapport aux émissions de la chaudière
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 39
Ctifl 4.5. L’injection de CO2 en serres
0
20
40
60
80
100
120
T emps fro idpilo tage manuel
T emps mo yenpilo tage manuel
T emps mo yenOpen B uffer avecco nsignes lo gic ielmo de nivellement
T emps mo yenOpen B uffer avecco nsignes lo giciel
mo deco nso mmatio n
T emps do uxpilo tage manuel
T emps do ux sansOpen B uffer
T emps chaudpilo tage manuel
MWh PCS pour la semaine
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 40
Ctifl 4.5. L’injection de CO2 en serres
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Temps froidpilotage manuel
Temps moyenpilotage manuel
Temps moyenOpen Buffer
avec consigneslogiciel modenivellement
Temps moyenOpen Buffer
avec consigneslogiciel mode
consommation
Temps douxpilotage manuel
Temps douxsans Open
Buffer
Temps chaudpilotage manuel
ppm moyen de CO2
Serres horticoles et énergie, quel avenir ? 30 et 31 janvier 2008 41
CtiflQuelques 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 42
CtiflQuelques 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 43
CtiflConclusionsLes 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 44
CtiflCtifl