Le coût énergétique représente le poste de dépense le plus important pour un four à sole mobile alimenté au gaz. Pour un four de 5 MW fonctionnant 6 000 heures par an avec du gaz naturel à 0,35 $ le mètre cube, la facture annuelle de gaz s'élève à environ 400 000 $ à 500 000 $. Une réduction de 15 à 25 % permet de réinjecter 60 000 $ à 125 000 $ par an dans le budget d'exploitation, soit suffisamment pour financer une modernisation complète du système de contrôle en deux à trois ans.
MONTE INTELLIGENCE a réalisé des audits énergétiques sur des dizaines de chaudières à sole mobile. Nous avons constaté que la plupart des chaudières de plus de cinq ans présentent des possibilités d'amélioration de leur efficacité énergétique, souvent méconnues des exploitants. Cet article explique notre méthodologie d'audit et les principaux résultats obtenus.
L'audit énergétique débute par un calcul de bilan thermique. Pour un four discontinu traitant une charge par cycle, les apports de chaleur comprennent l'énergie issue de la combustion du combustible, la chaleur sensible de l'air de combustion (s'il est préchauffé) et la chaleur dégagée par l'oxydation de la charge (faible, généralement négligée). Les pertes de chaleur comprennent la chaleur utile absorbée par la charge, la chaleur perdue dans les fumées, la chaleur perdue à travers les parois et la porte du four, la chaleur perdue par infiltration d'air, la chaleur stockée dans la structure du four (libérée lors du refroidissement mais perdue entre les cycles) et la chaleur perdue par les ouvertures, les joints et autres voies de fuite.
La chaleur utile — l'énergie qui chauffe effectivement les pièces — est calculée à partir de la masse de la pièce, de sa chaleur spécifique et de l'élévation de température. Pour une charge de 20 tonnes d'acier chauffée de 20 °C à 850 °C avec une chaleur spécifique moyenne de 0,55 kJ/kg·K, la chaleur utile est de 20 000 × 0,55 × 830 = 9 130 MJ, soit environ 2 536 kWh — l'équivalent d'environ 260 mètres cubes de gaz naturel.
La consommation totale de gaz pour le cycle est mesurée par le compteur de gaz de la chaudière. Si le compteur indique une consommation de 520 mètres cubes, le rendement de la chaudière est de 260/520 = 50 %. Les 260 mètres cubes restants, soit environ 90 $ de gaz par cycle, sont perdus par divers moyens de déperdition de chaleur. L'audit permet d'identifier et de quantifier ces pertes afin de déterminer les sources d'économies potentielles.
Les pertes de chaleur par les gaz de combustion constituent généralement la principale source de pertes, représentant 30 à 50 % de la consommation totale de gaz. Les gaz de combustion sortent du four à une température proche de sa température de fonctionnement (par exemple, si le four est à 1 000 °C, les gaz de combustion peuvent atteindre 900 à 950 °C), emportant avec eux une importante quantité de chaleur sensible. Le contenu thermique peut être calculé à partir du débit, de la température et de la composition des gaz de combustion.
La réduction des pertes par combustion repose sur deux stratégies : la réduction de l’excès d’air et la récupération de la chaleur des gaz de combustion. L’excès d’air correspond à la quantité d’air fournie au-delà des besoins stœchiométriques pour la combustion. Avec un excès d’air de 50 % (réglage courant), le volume des gaz de combustion est environ 30 % supérieur à celui obtenu avec un excès d’air de 10 %, et cet air supplémentaire doit être chauffé de la température ambiante à celle des gaz de combustion. Réduire l’excès d’air de 50 % à 10 % peut améliorer le rendement de la chaudière de 3 à 5 %. Ceci nécessite un réglage précis de l’apport d’oxygène au niveau du brûleur : une sonde lambda placée dans le conduit de fumée fournit un retour d’information en temps réel au registre d’arrivée d’air de combustion.
La récupération de chaleur fatale utilise un récupérateur ou un régénérateur pour transférer la chaleur des gaz de combustion à l'air de combustion. Le préchauffage de l'air de combustion à 400 °C peut améliorer le rendement du four de 15 à 25 %, car l'air préchauffé réduit la quantité de combustible nécessaire pour atteindre la température de combustion. Les récupérateurs — échangeurs de chaleur gaz-gaz, généralement de type tubulaire ou à plaques — constituent la technologie la plus courante et permettent d'atteindre une efficacité de récupération de chaleur de 50 à 60 %. Les brûleurs régénératifs, qui utilisent des lits de céramique absorbant et libérant alternativement la chaleur, peuvent atteindre une récupération de 80 à 90 %, mais à un coût d'investissement plus élevé.
Les pertes thermiques à travers les parois dépendent de l'épaisseur du réfractaire, de sa conductivité thermique et de la température extérieure de la paroi. Pour un four fonctionnant à 1 000 °C avec 300 mm d'isolation en fibre céramique (conductivité de 0,15 W/m·K à température moyenne), les pertes thermiques à travers les parois sont d'environ 500 W par mètre carré. Pour un four dont la surface des parois est de 100 m², cela représente une perte continue de 50 kW, soit environ 4,3 m³ de gaz par heure, ou encore approximativement 1,50 $ par heure.
Mesurer la température de la surface extérieure du mur à l'aide d'un thermomètre infrarouge est une technique de contrôle simple. Toute zone du mur dont la température dépasse de plus de 20 °C la moyenne indique une fuite d'isolation, une fixation défectueuse ou un point chaud dû à la flamme d'un brûleur interne. Ces points chauds peuvent être réparés lors d'un arrêt programmé en remplaçant les modules d'isolation concernés.
Les fuites au niveau des portes et des joints sont les plus difficiles à quantifier et souvent les plus faciles à réparer. Un interstice de 3 mm sur le pourtour d'une porte de 4 mètres sur 3 mètres représente une surface d'environ 0,042 mètre carré. À une pression typique de 10 Pa dans un four, les fuites de gaz chauds à travers cet interstice emportent une énergie considérable — environ 10 à 15 kW pour un four à 1 000 °C. La solution consiste à remplacer le joint de porte ; une opération qui prend environ quatre heures à une équipe de maintenance et coûte quelques centaines de dollars en matériaux.
L'infiltration d'air — de l'air froid qui s'infiltre dans la chaudière par des interstices dans la structure, autour de la porte, des brûleurs et par les regards de visite — est une source insoupçonnée de pertes d'énergie. Cet air infiltré emporte non seulement la chaleur (l'air froid entrant remplace les gaz chauds qui doivent s'échapper), mais il provoque également l'oxydation du combustible et peut créer des zones de température non uniformes. L'analyse de la combustion fournit une preuve indirecte de l'infiltration d'air : si la teneur en oxygène des fumées est supérieure à celle attendue compte tenu des réglages du brûleur, cet excès d'oxygène provient de l'infiltration.
Le rapport d'audit doit inclure une liste priorisée des mesures d'économie d'énergie (MEE) avec une estimation des coûts, des économies estimées et du délai de retour sur investissement. Les MEE typiques pour un four à sole mobile, classées par ordre croissant de délai de retour sur investissement, sont : la réparation des joints de porte (retour sur investissement < 1 mois), le réglage du rapport air/gaz du brûleur (retour sur investissement < 3 mois), la réparation des points chauds du réfractaire (retour sur investissement de 3 à 6 mois), l'installation d'un système de contrôle de l'oxygène (retour sur investissement de 6 à 12 mois) et l'installation d'un récupérateur d'énergie (retour sur investissement de 12 à 24 mois).
MONTE INTELLIGENCE propose des services d'audit énergétique comprenant des mesures sur site, le calcul du bilan thermique, l'identification des mesures d'efficacité énergétique et un accompagnement à la mise en œuvre.
Pour programmer un audit énergétique de votre chaudière à foyer fermé, veuillez contacter helenxu@cnlymonte.com.
