Solution

Condenseur sur chaudière vapeur

Mis à jour le

Tout industriel consommant de la vapeur est sensible aux économies d’énergie. La mise en place d’un condenseur, en aval d’un économiseur, permet de réduire sa consommation d’énergie de 10 à 15 %.

Les condenseurs sont bien adaptés à des industries ayant des besoins de vapeur dont le taux de retour condensats est faible (< 40 %) ou dont les quantités d’eau de process à préchauffer sont importantes. Le retour sur investissement sera d’autant plus intéressant que la puissance de la chaudière est élevée (> 5 MW).

Eligibles au dispositif des Certificats d’Economie d’Energie (CEE) pour des chaudières gaz naturel ou GPL de puissance inférieure 20 MW, ces équipements peuvent être installés sur des équipements neufs ou en revamping d’installations existantes.

Condenseur sur chaudière vapeur
Condenseur sur chaudière vapeur
Condenseur sur chaudière vapeur de 8,5 t/h
Condenseur sur chaudière vapeur

Principe de fonctionnement

Sur une chaudière vapeur traditionnelle, pour des pressions de service comprises entre 8 et 12 bars, on mesure des températures de fumées généralement comprise entre 220 et 250°C. Donc, environ 10% de la chaleur fournie au brûleur est perdue. Récupérer une partie de cette énergie contenue dans les fumées est une source d’économie importante.

La première solution pour récupérer une partie de cette énergie est de placer un économiseur à la sortie de la chaudière. On peut ainsi réduire la température des fumées à 120-150°C et les pertes de 5 points, permettant d’atteindre un rendement de combustion de 95 %/PCI.

La mise en place d’un condenseur permet de réduire encore ces pertes. Grâce à cet équipement, la température des produits de combustion est tellement abaissée qu’une partie de l’eau contenue dans les fumées condense. Dans ces conditions, le rendement de combustion peut atteindre plus de 100%/PCI.

Bien évidemment, cela nécessite la disponibilité d’une source froide (à moins de 40-50°C) à réchauffer.

 

2 variantes

  • Variante A : Préchauffage de l’eau d’appoint de la bâche alimentaire

Quand les besoins en eau d’appoint sont importants (taux de retour de condensats < 40 %), le condenseur peut être une solution intéressante pour préchauffer cette eau d’appoint avant son injection dans la bâche alimentaire.

  • Variante B : Préchauffage de l’eau utilisée sur les procédés de fabrication

Quand le taux de retour de condensats est important (> 40%) et si les procédés de fabrication du site utilisent de l’eau chaude, le condenseur peut être utilisé pour le préchauffage de celle-ci. De nombreux secteurs industriels, tel que celui des industries agro-alimentaires ont besoin d’eau chaude, notamment pour le nettoyage des procédés de fabrication.

Pour une eau froide rentrant dans le condenseur à 15°C, les températures d‘eau peuvent atteindre 50 à 70 °C en sortie, soit un gain de l’ordre de 35 à 55 °C ou encore une réduction de la quantité d’énergie à fournir pour l’amener à la température souhaitée.

Attention : Pour que cette variante soit pertinente, il est préférable d’avoir une simultanéité des besoins en vapeur et des besoins d’eau chaude.

Condenseur sur chaudière vapeur - Schéma des 2 variantes
Condenseur sur chaudière vapeur - Schéma des 2 variantes

Comme les économiseurs, les condenseurs sont constitués d’une batterie de tubes ailetés. Compte tenu de l’acidité des condensats (pH compris entre 2,8 et 4,9 pour le gaz naturel), les matériaux utilisés doivent être anti corrosion (inox).

Atouts

Variante A : Préchauffage de l’eau d’appoint de la bâche alimentaire

Le rendement d’une chaudière de production de vapeur, équipée d’un économiseur (préchauffage de l’eau d’alimentation) et d’un condenseur (préchauffage de l’eau d’appoint) peut être de plus de 105% /PCI, soit un gain de 15 points. Ce chiffre est fortement dépendant de la quantité de retours condensats admis en bâche.

Le graphique suivant montre l’évolution du rendement de combustion pour un excès d’air de 20 %, en fonction de la température des fumées.

Evolution du rendement de combustion en fonction de la température des fumées
Evolution du rendement de combustion en fonction de la température des fumées

Variante B : Préchauffage de l’eau utilisée sur les procédés de fabrication

Dans le cas où le condenseur est utilisé pour le chauffage d’eau utilisée par les procédés de fabrication ou de nettoyage, le gain énergétique est équivalent à la quantité d’énergie qu’il aurait fallu pour chauffer ce même volume d’eau par un autre équipement (vapeur, ballon électrique, …), auquel s’ajoute les gains en matière de coûts d’exploitation et de maintenance.

Pour aller plus loiN

Condensation des fumées : avantages du gaz naturel

Si l’on compare les principaux paramètres des combustibles traditionnels, le gaz naturel offre le potentiel maximum en matière de condensation.

Combustible

PCI

(kWhw/m3 ou kWh/kg)

Point de rosée des fumées

(°C)

Condensat théorique

(kg/kWh)

Fourchette de pH

Gaz naturel H 10,7 55,6 0,16 2,8 à 4,9
Gaz naturel B 9,5 55,1 0,16 2,8 à 4,9
Propane 25,4 51,4 0,13 2,8 à 4,9
Fioul domestique 11,9 47 0,10 1,8 à 3,7

Caractéristiques des combustibles traditionnels

Les fumées émises par la combustion du gaz commencent à se condenser à des températures plus élevées que celles des autres combustibles. Elles ne contiennent ni imbrulés (suies), ni soufre. De ce fait, le nettoyage des surfaces d’échanges nécessaires au maintien d’un bon niveau de rendement est insignifiant. Enfin, le pH des condensats étant supérieur à celui du fioul domestique, la neutralisation des condensats est plus simple.

Installation

Etude de faisabilité

Quelle que soit la solution (ou variante) choisie (préchauffage de l’eau d’appoint ou réchauffage d’eau pour le process), il est fortement conseillé de mener une étude de faisabilité afin de valider la pertinence de l’installation d’un condenseur.

Traitement des condensats

A ce jour en France, aucune réglementation n’encadre explicitement et spécifiquement l’évacuation des condensats (neutralisés ou non) émis par les appareils à combustible gazeux.

La norme NF EN 12056-1 relative aux réseaux d'évacuation gravitaire à l'intérieur des bâtiments précise que « L'écoulement de condensats émis par les appareils à combustion ne doit se faire que dans des systèmes d’évacuation résistant aux eaux usées d’une valeur de pH inférieure à 6,5. Les réglementations nationales et locales peuvent exiger le prétraitement des condensats. ». Mais son application demeure volontaire et de fait aucunement obligatoire.

Installation sur chaudière existante

Sur une chaudière existante, les contraintes d’installation d’un condenseur sont liées à différents critères, tels que :

  • Encombrement (ou place disponible en chaufferie)
  • Perte de charge engendrée par la mise en place du condenseur
  • Caractéristiques du conduit de fumées en aval de l’équipement. Un retubage en inox peut s’avérer nécessaire.
  • Type de combustible utilisé
  • Espace disponible nécessaire aux opérations de réglages et de maintenance

Coûts d'investissement

Le graphique suivant présente une estimation du coût d’investissement pour des condenseurs installés sur des chaudières de 6 à 20 t/h.

Ces prix sont donnés pour des installations standards sans la marge des intégrateurs. Les coûts sont très dépendants des caractéristiques de la chaudière, de la place disponible en chaufferie, des travaux de rénovation nécessaires et d’éventuels équipements annexes (régulation, tuyauteries…).

Estimation des coûts d'investissement d'un condenseur sur chaudière vapeur
Estimation des coûts d'investissement d'un condenseur sur chaudière vapeur

Certificats d'Economies d'Energie (CEE)

Les condenseurs installés sur des chaudières de production de vapeur de puissance nominale inférieure à 20 MW sont des équipements éligibles aux Certificats d’Economie d’Energie. Cette éligibilité n’est valable que si la chaudière est équipée d’un économiseur, et si le combustible utilisé est du gaz naturel ou du GPL.

La fiche IND-UT-130 décrit les conditions nécessaires pour la délivrance de CEE ainsi que les kWh cumac qui peuvent être obtenus.

Le calcul des kWh cumac pouvant être obtenus dépend de la puissance de la chaudière (en kW) et d’un coefficient fixé en fonction du mode de fonctionnement du site industriel.

CEE - méthode de calculs des kWh cumac pour l’installation d’un condenseur sur une chaudière vapeur
Tableau de calculs des kWh cumac pour l’installation d’un condenseur sur une chaudière vapeur

Ainsi, pour une chaudière vapeur de 10 MW (environ 13,3 t/h), implantée sur un site fonctionnant en mode 3 x 8h avec arrêt week-end, le nombre de kWh cumac est 10 000 kW x 1000 = 10 000 MWh cumac.

Pour estimer le montant financier correspondant, il suffit de multiplier cette valeur par le prix moyen des CEE.

Ainsi, en mars 2019, le prix moyen était de 7,67 €/MWh cumac, soit un montant récupérable estimé de 77 k€.

Applications industrielles

Ces équipements peuvent être utilisés dans tous les secteurs industriels ayant des besoins de vapeur et disposant d’un « point froid » à réchauffer. Celui-ci peut être :

  • L’eau d’appoint bâche si le taux de retours condensats est inférieur à 40 %
  • L’eau chaude nécessaire aux unités de production, par exemple le Nettoyage En Place (NEP) dans les Industries Agro-alimentaires

Maintenance

Pour les condenseurs installés en aval de chaudières fonctionnant au gaz, il n’y a pas d’opérations de maintenance spécifiques.

Principaux fabricants

La plupart des fabricants de chaudières (Babcock Wanson, Bosch, Stein, Viessmann…) et des équipementiers (Cometi, Coretec, RCI, …) proposent ce type de produit (liste non exhaustive).

Réalisations

Retrouvez sur le site de GRDF des exemples de réalisations de solutions thermiques performantes fonctionnant au gaz naturel.

Voici un exemple d'installation avec mise en place d’un condenseur.

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