Pompes à chaleur : transformons le paysage énergétique mondial

La technologie des pompes à chaleur est de plus en plus utilisée à travers le monde, et ce, dans de nombreux secteurs, car elle permet de capter, booster et réutiliser ce qui serait sinon de la chaleur fatale. Cette valorisation peut abaisser considérablement les coûts du chauffage et réduire la dépendance aux combustibles fossiles. À grande échelle, cette pratique peut déboucher sur des avantages économiques et financiers de taille.

Ces dernières années, GEA a installé la technologie de chauffage et réfrigération à base d’ammoniac dans des usines de transformation alimentaire, des sites de fabrication de boissons et de produits laitiers, des brasseries, des chambres froides, des installations de chauffage urbain, etc.

Pourquoi l’ammoniac ?

Le rendement thermodynamique de l’ammoniac en fait un choix très économique et, grâce aux améliorations de la technologie des compresseurs, les pompes à chaleur à l’ammoniac permettent désormais d’atteindre des températures supérieures à celles qui l’étaient auparavant.

Dans un site de grande dimensions qui a besoin à la fois de chauffage et de refroidissement, comme un réseau énergétique urbain ou une usine de transformation alimentaire, la technologie des pompes à chaleur à l’ammoniac peut se traduire par une consommation énergétique 40 % plus basse et 40 % d’émissions en moins par rapport à l’utilisation de fluides frigorigènes de synthèse.

Récupérer la chaleur pour le chauffage et le refroidissement

Désireux de rendre plus accessible un chauffage et un refroidissement respectueux de l’environnement, un fournisseur de réfrigération et de chauffage canadien s’est lancé dans un projet ambitieux qui utilise la technologie de GEA pour alimenter 557 000 mètres carrés (six millions de pieds carrés) de surface au sol en chauffage et refroidissement urbains.

Afin de répondre à ce cahier des charges exigeant, GEA a conçu sur mesure et livré deux pompes à chaleur GEA RedGenium sur le site de l’entreprise dans l’Ontario. Chacune de ces pompes fournit 2 mégawatts (569 tonnes de réfrigération) d’eau chaude à 85°C (185°F), ainsi que de l’eau froide à 4,4°C (40°F) pour les besoins de refroidissement.

Les fluides frigorigènes de synthèse traditionnels tels que les hydrofluorocarbures (HFC) étant connus pour être nocifs pour l’environnement, le nouveau système utilise de l’ammoniac, qui est un fluide frigorigène naturel. L’ammoniac a un potentiel de diminution de la couche d’ozone (PDO) nul.

Quand rendement rime avec développement durable

Le cœur de chaque pompe à chaleur RedGenium est un compresseur à pistons GEA V XHP à extra-haute pression. En mesurer d’assurer des températures atteignant jusqu’à 95°C (203°F) pour l’eau et une large gamme de capacités avec une pression nominale maximale de 63 bars (914 psi), le système à base d’ammoniac assure des performances de pointe. Cela résulte en un coût total de propriété plus bas qui s’explique par une consommation d’électricité en chute libre et le fait que l’ammoniac est relativement bon marché.

Le système utilise ensuite une petite quantité d’électricité (idéalement renouvelable) pour booster la chaleur captée. Les variateurs de fréquence contrôlent les moteurs électriques, tandis que les échangeurs thermiques à plaques et à calandre permettent à l’ensemble du système de répondre aux plus hautes normes de développement durable.

Des pompes à chaleur réduisent les émissions sur Mars

Numéro un des confiseurs dans le monde, Mars a installé une solution de pompe à chaleur GEA sur son site de Veghel aux Pays-Bas, une des plus grosses usines de chocolat du monde. Après une analyse des possibles économies d’énergie et mesures de gestion énergétique au sein du site, l’entreprise a décidé que l’installation de systèmes de pompe à chaleur améliorerait nettement l’efficacité énergétique des opérations générales de Mars et l’aiderait à tenir son engagement à réduire les émissions.

La solution de pompe à chaleur sur mesure de GEA, qui repose sur le compresseur à pistons GEA V HP, extrait la chaleur provenant des groupes frigorifiques, en augmente la température, opération sans laquelle cette chaleur serait inutilisable car sa température serait trop basse, puis l’utilise pour chauffer l’eau. La chaleur provenant des groupes frigorifiques passe à travers un échangeur thermique, qui peut chauffer l’eau jusqu’à 63°C (145°F).

Cette eau est ensuite acheminée dans le réseau de tuyauterie d’eau chaude spécialement installé sur le toit de l’usine, depuis lequel elle peut être envoyée aux différentes zones afin d’être utilisée dans l’installation, notamment par le stockage du chocolat et des sirops et pour les unités de traitement d’air. La quantité de chaleur économisée par les pompes à chaleur équivaut à près de 26 térajoules de gaz et approximativement 1000 tonnes de CO₂ par an.

Mars prévoit d’installer davantage de pompes à chaleur dans plusieurs autres de ses établissements à travers le monde, car la réutilisation de la chaleur fatale est un des facteurs-clés qui permettront à l’entreprise de centrer son objectif, à savoir devenir neutre en carbone d’ici 2040. 

Révolutionner la production de jus

Dans le cadre d’une initiative majeure ayant pour but la construction d’une usine de jus de fruits neutre en carbone, la marque de smoothies et jus innocent a chargé GEA de lui fournir une technologie de process, chauffage et réfrigération durable pour son nouveau site. L’implication précoce de GEA dans le projet signifie que de nombreux processus innovants ont pu être mis en place dès le tout début, mettant innocent en bonne position pour atteindre ses objectifs de développement durable.

Le cœur de la solution écoénergétique d’innocent est constitué par des pompes à chaleur GEA. En intégrant les systèmes pour maximiser le rendement, GEA a également conseillé à innocent d’utiliser deux circuits de chauffage séparés, l’un réglé à 65°C (149°F) pour le nettoyage et l’autre à 90°C (194°F) pour la pasteurisation et la stérilisation. Les pompes à chaleur intégrées ont permis de chauffer l’eau en utilisant la chaleur fatale générée par les processus. GEA a dû minimiser la quantité de vapeur de manière à pouvoir utiliser un générateur de vapeur électrique alimenté à l’énergie verte. 

« Traditionnellement, toute la chaleur fournie l’est au-dessus de 100°C (212°F) en utilisant la vapeur comme un moyen de production pour les boissons, » dit Robert Unsworth, Directeur Développement durable technique Monde chez GEA. « Mais nous avons remis cela en question. Maintenant seule une fraction de la chaleur requiert de la vapeur, qui est utilisée pour la stérilisation. » « En exploitant le principe des échangeurs thermiques pour un effet maximal, nous avons considérablement augmenté la réutilisation et limité l’énorme quantité d’énergie qui était auparavant gaspillée avec la vapeur inutilisée. »

Ce projet a ensuite remporté une médaille d’or dans le cadre du prix du public de l’Association européenne des pompes à chaleur (European Heat Pump Association). « Je dis ‘chapeau’ à GEA, parce qu’ils nous ont accompagnés durant toutes les étapes du projet et nous ont aidés à remettre en question les approches de conception traditionnelle, » explique Andy Joynson, ancien chef de l’exploitation chez innocent drinks Europe. « Tous ces petits détails cumulés ont débouché sur un grand succès. Nous fonctionnons avec ici quelque chose comme 60 % de l’énergie qui serait nécessaire pour faire tourner une usine de taille équivalente, il y a donc une différence importante. »

Des solutions combinées dans l’usine de poulets de Wipasz

Une solution de grande ampleur et complexité a été nécessaire chez Wipasz SA, qui est un des plus gros producteurs d’aliments pour animaux de Pologne et un leader de la production de viande de poulet fraîche. Pour sa nouvelle usine de volaille de Więdzyrzec Podlaski en Pologne, l’entreprise cherchait des solutions pour rendre la production plus durable et plus écoénergétique.

Andrzej Wachink, Directeur technique de Wipasz S.A., a dit : « La nouvelle installation est très vaste et moderne. Nous avons lancé à GEA trois défis : maintenir l’usine fraîche, récupérer la chaleur résiduelle pour réduire la consommation d’énergie des chaudières utilisées pour produire de l’eau chaude et créer une ventilation adéquate, en particulier dans la zone d’abattage. »

Les procédés de surgélation et de refroidissement sont, par ailleurs, extrêmement sensibles à la température. Le produit destiné à être distribué frais est conditionné à 0°C (32°F) , tandis que le reste est surgelé à -18°C (0°F), pour l’exportation ou pour traitement ultérieur, par exemple pour fabriquer des nuggets de poulet. 

Pour pouvoir répondre aux exigences variées de l’usine, GEA a étudié, conçu et fourni une capacité de réfrigération de 5,3 mégaWatts (1507 tonnes de réfrigération) pour cinq surgélateurs à plaques, cinq tunnels de surgélation par lot, deux chambres froides et 64 refroidisseurs d’air. L’équipement inclut des compresseurs à pistons GEA – un compresseur à pistons V1800 Grasso pour la climatisation de l’usine, un compresseur à vis Grasso SP1 pour le procédé de refroidissement de volaille principal et un compresseur à vis Grasso SP2 pour la surgélation et la génération de chaleur pour l’eau et la climatisation. 

De plus, l’entreprise a installé huit unités de traitement d’air pour la ventilation des salles de production et quatre pour la climatisation de l’immeuble des bureaux, toutes alimentées en froid depuis la centrale à l’ammoniac, et dotées d’un système de récupération de chaleur. Wipasz a également été équipé de deux systèmes de récupération de chaleur qui couvrent tous les besoins en eau chaude de l’installation et d’autres demandes de chauffage, y compris les bureaux et les espaces de socialisation, ce qui se traduit par une empreinte carbone réduite et un retour sur investissement très rapide puisque la solution n’utilise pas de chaudière.

Associer une pompe à chaleur à un groupe frigorifique permet de procéder aussi bien au refroidissement qu’au chauffage. De ponctuelle, l’utilisation passe en cycle continu, ce qui abaisse les coûts de l’énergie de 40 % ou plus. Cela représente des économies considérables si vous considérez que dans les secteurs agroalimentaire, laitier et des boissons, jusqu’à 60 % de l’énergie sont consommés par le chauffage et le refroidissement. Les usines de volaille telles que Wipasz retirent des avantages financiers et environnementaux importants de l’utilisation de la récupération de chaleur et d’une pompe à chaleur dans les processus de production, en particulier dans ceux qui requièrent l’application de chaleur durant la préparation et la réfrigération et la surgélation qui suivent.

Du chauffage et du refroidissement à l’épreuve du futur

Les pompes à chaleur installées par GEA dans des sites du monde entier sont conçues sur mesure pour répondre à des demandes de températures précises et garderont leur actualité et leur efficacité pendant de nombreuses années grâce à la longue durée de vie de l’ammoniac. Par rapport à d’autres fluides frigorigènes, qui peuvent ne durer que dix ans environ, s’appuyer sur un système à l’ammoniac assure 30 ou 40 ans voire plus de tranquillité.

Alors que les gaz fluorés sont mis au ban dans le monde entier pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, les fluides frigorigènes naturels tels que l’ammoniac ont de plus en plus la cote. Leur adoption toujours plus répandue en a accru l’utilisation et aujourd’hui, la demande de solutions d’énergie verte augmentant, les pompes à chaleur à l’ammoniac sont de plus en plus courantes dans les sites d’énergie thermique et de fabrication du monde entier.