Fig. 1 : la nouvelle centrale de cogénération de la station d'épuration d'Echallens est installée dans un conteneur. Grâce au biogaz récupéré dans les boues, elle génère 150 000 kilowattheures de puissance par an. Source : Busch Solutions de Vide.
Produire de l'énergie en en dépensant moins
Même si sa mise en service date de 1974, la station d'épuration d'Echallens, dans le canton suisse de Vaud, fournit de l'énergie grâce à la récupération de biogaz. En mai 2020, deux anciens surpresseurs à pistons lubrifiés à l'huile servant à mélanger les boues dans la cuve de digestion ont été remplacés par un unique surpresseur à becs MINK de Busch Solutions de Vide. Ceci a permis de réduire la quantité d'énergie nécessaire à ce processus de près de 40 pour cent. Pour le directeur de l'usine de traitement, ceci signifie qu'il consomme moins d'énergie pour en produire.
L'usine de traitement d'Echallens est exploitée par la collectivité d'Echallens, situé non loin de la capitale du canton de Vaud, Lausanne ; elle traite les eaux usées des villes d'Echallens, de Montilliez et de Villars-le-Terroir. Elle a été conçue pour répondre aux besoins d'une population d'environ 10 000 habitants – une limite de capacité qui a été largement dépassée. Les prévisions pour la région d'Echallens Haut-Talent comprennent la consolidation du retraitement des eaux d'ici 2025, dans le cadre d'un plan visant à rendre à l'avenir ces opérations plus efficaces d'un point de vue économique. Les plans visent également à améliorer le traitement des micropolluants. Dans le futur, l'idée est que l'usine de traitement d'Echallens remplace toutes les autres usines de traitement des eaux usées locales puis qu'elle traite les eaux usées de neuf des collectivités du district. Pour ce faire, la population équivalente d'Echallens est censée passer à 26 000 habitants.
En 2019, une nouvelle centrale de cogénération (Fig. 1) a été construite sur le site de l'usine de traitement ; elle génère un volume annuel de 150 000 kilowattheures de puissance provenant de l'usine de biogaz. L'eau chaude récupérée dans la centrale de cogénération est essentiellement utilisée pour répondre aux propres besoins de l'usine, par exemple, pour réchauffer les boues dans la cuve de digestion ou pour chauffer les zones intérieures. Pour rendre le processus de récupération du biogaz (Fig. 2) dans la cuve de digestion également plus efficace d'un point de vue économique, la décision a été prise d'optimiser la circulation du biogaz dans la cuve de digestion d'une capacité de 350 mètres cubes. Une partie du biogaz généré dans la cuve de digestion est réinjecté dans les boues. Pour cela, le biogaz est aspiré hors de la cuve de digestion par la partie supérieure, compressé à l'aide d'un surpresseur et réinjecté dans les boues présentes dans la partie basse de la cuve de digestion. Le biogaz circule à travers les boues puis il est collecté en haut de la cuve de digestion, d'où il est envoyé par une conduite dans un réservoir de gaz intermédiaire. À partir du réservoir de gaz, le biogaz est directement dirigé vers la centrale de cogénération. Ce système qui fonctionne 20 heures par jour est seulement arrêté quelques heures pendant la nuit.
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Fig. 2 : processus de génération de puissance à partir de biogaz à l'usine de traitement d'Echallens. Source : Busch Solutions de Vide.
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Fig. 2 : processus de génération de puissance à partir de biogaz à l'usine de traitement d'Echallens. Source : Busch Solutions de Vide.
Les avantages du processus de circulation du biogaz sont les suivants : 1. Les boues concentrées sont chauffées à 38 degrés Celsius dans la cuve de digestion. Fluidifier les boues à l'aide du biogaz permet d'assurer une distribution uniforme de la chaleur. 2. Le mélange des boues permet également d'éviter l'accumulation des dépôts et leur densification dans la partie basse de la cuve de digestion. 3. La remontée des bulles de gaz à travers les boues augmente le processus de dégradation microbiologique au cœur des boues, ce qui assure au final une production de gaz plus importante. 4. La circulation du biogaz à travers les boues signifie également qu'elles n'ont plus besoin d'être mélangées mécaniquement.
Deux surpresseurs à pistons ont été installés en 1974 pour mélanger le biogaz aux boues, bien que l'un soit redondant par rapport à l'autre, pour assurer la continuité du processus en cas de panne du premier. En pratique cependant, il s'est avéré que la capacité d'un surpresseur n'était pas suffisante ; les deux surpresseurs fonctionnaient donc tous les deux en continu et plus aucune redondance n'était donc assurée. Les deux surpresseurs étaient équipés d'un moteur d'une puissance nominale de 6,7 kilowatts.
Après avoir consulté un ingénieur des processus de l'entreprise suisse Busch AG, une entreprise du groupe international Busch Solutions de Vide, l'exploitant a décidé d'acheter un surpresseur à becs MINK (Fig. 3) de Busch.
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Fig. 3 : jusqu'à 95 mètres cubes par heure de biogaz sont transportés par le surpresseur à becs MINK, avec une surpression de 0,6 bar. Source : Busch Solutions de Vide.
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Fig. 3 : jusqu'à 95 mètres cubes par heure de biogaz sont transportés par le surpresseur à becs MINK, avec une surpression de 0,6 bar. Source : Busch Solutions de Vide.
Ce surpresseur est certifié ATEX (II 2G IIB3 T3 (i)/II 3G IIB3 T4(o)), ce qui signifie que la présence d'arrête-flammes n'est plus nécessaire. En outre, il est équipé d'un variateur de vitesse ce qui fait que le débit volumétrique peut être adapté précisément aux conditions nécessaires dans la cuve de digestion.
Le surpresseur à becs MINK est en fonctionnement depuis mai 2020 et il tourne à pleine charge avec une consommation électrique équivalente à 4,5 kilowatts et une surpression constante de 0,6 bar. Comparée à la consommation électrique des deux anciens surpresseurs à pistons, qui étaient chacun doté d'un moteur de 6,7 kilowatts, ceci donne des économies d'énergie théoriques de plus de 65 pour cent.
Les surpresseurs à becs MINK compressent le biogaz sans avoir besoin d'huile. Ceci est possible grâce au principe de fonctionnement sans contact des surpresseurs, ce qui signifie que les pièces mobiles internes n’entrent jamais en contact les unes avec les autres ou avec le boîtier. Au final, aucune vidange d'huile n'est nécessaire, contrairement aux surpresseurs à pistons lubrifiés à l'huile qui avaient besoin d'une vidange deux fois par an. Lorsque les 4,5 litres d'huile de chaque surpresseur entraient en contact avec le biogaz, l'huile usagée devait être mise au rebut de manière appropriée. Les surpresseurs à becs MINK sont équipés d'une boîte d'engrenages interne. Celle-ci contient 0,85 litre d'huile spécial engrenage. Busch recommande d'effectuer une vidange d'huile au maximum après 20 000 heures de fonctionnement et une inspection visuelle annuelle pour contrôler l'état et la quantité d'huile, à titre de précaution.
L'exploitant a également constaté un autre avantage au cours des premiers mois de fonctionnement :
Le surpresseur à becs est bien plus silencieux qu'un seul surpresseur à pistons précédent. Le niveau sonore a été réduit de plus de moitié.