Production d'électricité économe en énergie

Production d'électricité économe en énergie

Echallens, Suisse La station d'épuration des eaux usées d'Echallens (STEP d’Echallens), située dans le canton de Vaud, produit, depuis sa mise en service en 1974, de l'électricité à partir de biogaz. En mai 2020, un des vieux surpresseurs à piston lubrifiés à l'huile a été remplacé par un surpresseur à becs MINK de Busch Vacuum Solutions pour le brassage des boues d'épuration dans le digesteur. Il a ainsi été possible de réduire de plus de 40 % la consommation d'énergie pour ce processus.
Fig. 1 : la nouvelle installation de cogénération de la station d'épuration d'Echallens est installée dans un container. Grâce au biogaz produit par les boues d'épuration, elle génère 150 000 kWh d'électricité par an. Source: Busch Vacuum Solutions.
Fig. 1 : la nouvelle installation de cogénération de la station d'épuration d'Echallens est installée dans un container. Grâce au biogaz produit par les boues d'épuration, elle génère 150 000 kWh d'électricité par an. Source: Busch Vacuum Solutions.

La station d'épuration d'Echallens, qui traite ses propres eaux usées ainsi que celles des communes de Montilliez et de Villars-le-Terroir, est exploitée par la commune vaudoise d'Echallens, près de la capitale cantonale Lausanne. La station est conçue pour une population équivalente à 10 000 habitants, une capacité déjà largement atteinte. La planification cantonale pour la région Echallens et Haut-Talent prévoit un regroupement du traitement des eaux usées jusqu'en 2025, en vue d'une exploitation plus performante, avec notamment le traitement des micropolluants à l'avenir. La station d'épuration d'Echallens remplacera alors toutes les autres stations d'épuration locales, et traitera les eaux usées de neuf communes au total. Pour ce faire, la station d'épuration d'Echallens sera étendue à une capacité de 26 000 équivalent-habitants.

Dès 2019, une nouvelle installation de cogénération (Fig. 1) a remplacé l'ancienne devenue trop petite et produira chaque année 150 000 kWh d'électricité. La chaleur, également générée par l'installation de cogénération, est essentiellement utilisée pour les propres besoins des installations, pour chauffer les boues d'épuration dans le digesteur et les locaux. Afin d'améliorer la production de biogaz (Fig. 2), a décidé d'augmenter la circulation du biogaz à l'intérieur du digesteur d'une capacité de 350 m3. Une partie du biogaz généré est injectée dans le digesteur et permet un meilleur brassage des boues d'épuration. Pour cela, le biogaz est aspiré dans le gazomètre, comprimé à l'aide d'un surpresseur, et réintroduit dans les boues d'épuration dans la partie inférieure du digesteur. Le biogaz traverse les boues d'épuration, pour remonter vers la partie supérieure, d'où il est acheminé via une conduite vers un gazomètre, pour stockage intermédiaire. Depuis ce gazomètre, le biogaz passe directement dans l'installation de cogénération, qui fonctionne actuellement 20 heures par jour, et qui n'est arrêtée que la nuit pendant les périodes de bas tarifs électriques.


Fig. 2 : processus de génération d'électricité à partir de biogaz dans la station d'épuration d'Echallens. Source: Busch Vacuum Solutions.

Le procédé d'injection du biogaz présente les avantages suivants :
1. Les boues fraîches sont d'abord épaissies puis introduites dans le digesteur qui est maintenu à une température de 38 °C. L'injection du biogaz dans ces boues d'épuration permet une répartition homogène de la chaleur.

2. Le biogaz injecté, provoque en remontant un brassage de toute la masse de boues, évitant ainsi les dépôts qui pourraient colmater le fond de l'ouvrage.

3. La remontée des bulles de gaz dans les boues d'épuration favorise également le processus de dégradation microbiologique, ce qui conduit, au final, à un meilleur rendement de gaz.
L'injection du biogaz dans le digesteur évite ainsi un brassage mécanique de l'ouvrage.
Cette tâche était jusqu'à présent réalisée par deux surpresseurs à piston datant de 1974. L'un des deux avait simplement fonction de redondance, afin de garantir la continuité du processus en cas de défaillance de l'un des surpresseurs. Dans la pratique, cependant, il s'est avéré que la capacité d'un seul surpresseur était insuffisante, et que, de ce fait, il était toujours nécessaire de faire fonctionner les deux surpresseurs d'une puissance nominale de 6,7 kW. 

Après consultation d'un ingénieur procédé de la société suisse Busch AG, succursale du groupe international Busch Vacuum Solutions, l'exploitant a décidé d'acquérir auprès de la société un surpresseur à becs MINK (Fig. 3). Ce surpresseur étant certifié ATEX (II 2G IIB3 T3 (i)/II 3G IIB3 T4(o)), l'utilisation de protections contre le retour de flamme devenait inutile mais ont été laissées en fonction. De plus, comme il est équipé d'un entraînement à variateur de fréquence, le débit volumétrique peut être adapté en fonction des besoins du digesteur. Le surpresseur à becs MINK est en service depuis mai 2020 et fonctionne la plupart du temps à pleine charge avec une puissance absorbée de 3 kW et une surpression permanente de 0,6 bar. Comparé à la consommation électrique des deux précédents surpresseurs à piston, chacun équipé d'un moteur de 6,7 kW, cela représente une économie d'électricité théorique de plus de 65 %.


Fig. 3 : le surpresseur à becs MINK a un rendement allant jusqu'à 95 m3 de biogaz par heure à une surpression de 0,6 bar. Source: Busch Vacuum Solutions.

Les surpresseurs à becs MINK permettent de comprimer le biogaz sans utiliser d'huile. En effet, les surpresseurs fonctionnent sans contact, c'est-à-dire que les pièces mobiles internes ne se touchent pas entre elles, ni avec le boîtier. Ainsi, nul besoin d'effectuer de vidanges d'huile qui, sur les surpresseurs à piston lubrifiés à l'huile, devaient être réalisées tous les six mois. Et comme les 4,5 litres d'huile, nécessaires pour chaque surpresseur, entraient en contact avec le biogaz, l'huile usagée devait être éliminée en conséquence. Les surpresseurs à becs MINK sont dotés d'un engrenage interne, utilisant 0,85 litre d'huile d'engrenage. Busch recommande de réaliser une vidange d'huile après 20 000 heures de fonctionnement maximum, ainsi qu'un contrôle visuel annuel, pour vérifier à titre préventif l'état et le niveau d'huile.

L'exploitant a pu constater un avantage supplémentaire lors des premiers mois de fonctionnement : « Le surpresseur à becs fonctionne beaucoup plus silencieusement que n'importe lequel des deux surpresseurs à piston utilisés auparavant. Le bruit a diminué de plus de moitié. »