Guide de l’ingénieur-conseil sur la technologie avancée des chaudières électriques

17-novembre-2024

Un expert international en chaudières aide les professionnels de l’industrie à tirer parti des capacités des chaudières à électrodes à haute tension, dont le rendement est pratiquement de 100 % et qui n’émettent aucune émission, en leur fournissant des conseils sur la sélection et l’installation.

Pour les ingénieurs-conseils chargés de planifier, de concevoir et de superviser des projets de construction dans un large éventail d’industries, les chaudières électriques avancées — en particulier les chaudières à électrodes à haute tension — offrent de nombreux avantages par rapport aux chaudières traditionnelles à combustible fossile. Grâce aux progrès technologiques, ces chaudières peuvent atteindre la capacité (jusqu’à 65 MW) et le rendement (270 000 livres de vapeur par heure) des chaudières traditionnelles au gaz ou au fioul dans un encombrement beaucoup plus réduit, tout en convertissant la quasi-totalité de l’énergie en chaleur. 

Ces chaudières à électrodes haute tension sans émission sont utilisées dans divers environnements pour des applications, telles que le chauffage centralisé, les centrales électriques, les centrales nucléaires, l’équilibrage de la charge, la consommation d’énergie solaire/éolienne et le remplacement des chaudières à combustible. 

Aujourd’hui, l’utilisation d’une nouvelle génération de ces chaudières comme solution de décarbonisation respectueuse de l’environnement suscite un intérêt croissant. Des entreprises du monde entier envisagent d’utiliser des chaudières électriques pour devenir neutres en carbone, conformément aux objectifs de la conférence des Nations unies sur le changement climatique COP26. La transition vers les chaudières électriques s’aligne également sur les objectifs des États-Unis, qui souhaitent que le secteur de l’électricité soit exempt de pollution par le carbone d’ici à 2035 et que l’économie ne produise pas d’émissions nettes d’ici à 2050. 

Les chaudières électriques apparaissent comme des solutions plus respectueuses de l’environnement que les chaudières à gaz traditionnelles qui émettent non seulement les gaz à effet de serre notoires que sont le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4), mais aussi les dangereux oxydes d’azote (NOx), le monoxyde de carbone (CO) et l’oxyde nitreux (N2O), ainsi que les composés organiques volatils (COV), le dioxyde de soufre (SO2) et les particules (PM).

« Les collectivités et les entreprises apprécient la nature écologique des chaudières électriques à haut rendement. Sans combustion, ces chaudières sont sûres, propres et sans émissions. Leur conception élimine de nombreux problèmes environnementaux associés aux chaudières à combustible, tels que les fumées, les cendres volantes et les grandes cheminées d’échappement gênantes », explique Robert Presser, vice-président d’Acme Engineering, un fabricant de chaudières industrielles et commerciales.

Cependant, le défi pour les ingénieurs-conseils est que beaucoup d’entre eux ont de l’expérience avec les chaudières à gaz, mais sont moins familiers avec la sélection et la mise en œuvre de chaudières électriques avancées, en particulier les alternatives à haute tension et à haute capacité disponibles aujourd’hui.

Pour combler cette lacune, Robert Presser, expert en technologie des chaudières, explique ce que les ingénieurs-conseils ont le plus besoin de comprendre sur la technologie des chaudières électriques, y compris leur sélection, leur mise en œuvre et leurs avantages. Acme, qui a des activités aux États-Unis, au Canada et en Europe, fournit des chaudières et des accessoires de pointe à certaines des entreprises les plus renommées au monde, notamment Siemens, Toshiba, Bechel, PG&E, Power & Mine et Hydro-Québec.

Types de chaudières électriques

Le premier facteur à prendre en compte dans le choix d’une chaudière électrique est la capacité dont aura besoin l’utilisateur, l’entreprise ou la collectivité. 

Selon Presser, les chaudières à résistance électrique de basse tension (480 KV) sont des sources économiques, compactes et fiables pour produire de la vapeur ou de l’eau chaude à usage industriel. Ces unités sont bien adaptées pour fournir ces ressources à des capacités plus faibles, de 9 à 3 600 kW. 

Cependant, la conception des chaudières à éléments chauffants est limitée lorsque leur capacité dépasse 4 MW, car de nombreuses brides, éléments, contacteurs et fusibles sont généralement nécessaires pour qu’elles fonctionnent correctement. L’ampérage considérable impliqué nécessite également des barres coûteuses pour la distribution, des transformateurs abaisseurs et de grands appareillages de commutation.

Pour éviter ces complications à partir d’une capacité de 4 MW, des chaudières haute tension à jet et à électrodes immergées ont été mises au point.

Chaudières à électrodes à haute tension

Dans la catégorie des chaudières à haute tension, les chaudières à électrodes se composent de deux types de base : les chaudières à immersion et les chaudières à jet d’eau. 

Dans les chaudières à résistance, le courant circule dans un fil de résistance qui génère de la chaleur. La chaleur est transférée par conduction à travers la gaine de l’élément et dans l’eau pour produire de l’eau chaude ou de la vapeur.

« Avec la conception à électrodes immergées, le courant électrique passe dans l’eau des électrodes aux contre-électrodes [mises à la terre par la coque de la cuve]. Plus l’exposition entre le blindage de la contre-électrode et l’électrode est directe, plus l’intensité du courant est élevée et plus la production d’eau chaude ou de vapeur est importante », explique M. Presser.

Les chaudières modernes à électrodes à jet utilisent les propriétés conductrices et résistives de l’eau pour transporter le courant électrique et produire de la vapeur. Un courant alternatif part de la colonne centrale mise à la terre vers un minimum d’un boîtier d’électrodes par phase, en utilisant l’eau comme conducteur. L’eau ayant une résistance électrique, le flux de courant génère de la chaleur directement dans l’eau elle-même.

« Plus le courant [ampères] circule, plus la chaleur [BTU] est générée et plus la vapeur est produite », explique M. Presser.

Les chaudières à jet haute tension ou à électrodes immergées se connectent directement aux lignes d’alimentation haute tension de 4,16 KV à 25 KV. Les chaudières à eau chaude sont remplies d’eau traitée pour créer un système en boucle fermée.

Selon M. Presser, la capacité maximale de la chaudière peut être ajustée en faisant varier la conductivité, qui est déterminée par la température et la capacité de la chaudière. En général, un moniteur de conductivité est installé dans la tuyauterie et tout ajustement est automatiquement effectué par un traitement chimique.

En ce qui concerne l’installation, les ingénieurs-conseils doivent déterminer si l’alimentation en haute tension est suffisante et si un nouveau transformateur est nécessaire.

« Pour ces chaudières à électrodes haute tension, la tension d’entrée généralement exigée par le code est une configuration de câblage en étoile triphasée à 4 fils, et les phases doivent être équilibrées », explique M. Presser.

En outre, il est nécessaire de s’assurer que l’espace disponible est suffisant pour amener et installer les chaudières à électrodes. Il faut notamment s’assurer que l’accès aux bâtiments et aux ascenseurs est adéquat et qu’il y a suffisamment d’espace libre dans les couloirs et les portes. Lorsque l’espace est limité, les chaudières à résistance de la série Slim d’Acme sont conçues pour produire une grande quantité d’eau chaude tout en facilitant la conversion et l’installation grâce à leur capacité à se faufiler dans des passages étroits et à s’intégrer dans des espaces plus petits sans démolition coûteuse.

Les avantages des chaudières électriques

Les ingénieurs-conseils qui envisagent d’utiliser des chaudières électriques bénéficient de nombreux avantages par rapport aux chaudières à gaz. Il s’agit notamment d’un rendement énergétique très élevé et d’un contrôle de la production, ainsi que d’une sécurité accrue et d’autres avantages.

Efficacité énergétique 

Bien que les chaudières à gaz traditionnelles soient familières, leur conception est intrinsèquement moins efficace que celle des unités électriques modernes. Dans cette catégorie, l’efficacité énergétique de la technologie des chaudières à électrodes offre une capacité de production d’électricité et de chaleur extraordinairement efficace.

« Avec une chaudière à électrodes, on obtient ce que l’on met dedans. En fait, il n’y a pas de baisse d’efficacité », explique M. Presser.

Avec les chaudières à électrodes, la quasi-totalité de l’énergie électrique est convertie en chaleur sans perte de cheminée ou de transfert de chaleur. Ce niveau d’efficacité n’est pas réalisable dans les chaudières à vapeur alimentées par des combustibles, même avec un économiseur.

Dans le cas de la CEJS d’Acme, dont la capacité de chaudière va de 6 à 68 MW, la chaudière à électrodes fonctionne à des tensions de distribution allant de 4,16 à 25 KV. L’unité est efficace à 99,9 % pour convertir l’énergie en chaleur. La chaudière peut produire de la vapeur jusqu’à 270 000 livres par heure, avec des pressions nominales de 75 PSIG à 500 PSIG. 

Contrôle de la sortie

Les chaudières électriques à haute tension offrent également un contrôle supérieur de la production d’énergie. Le système de contrôle surveille automatiquement des facteurs, tels que le niveau d’eau, la pression de la vapeur, la conductivité et les déséquilibres électriques, de sorte que l’apport et le réglage de l’énergie sont précis et pratiquement immédiats.

« En revanche, l’augmentation ou la diminution de la température dans une chaudière à gaz est un processus plus lent, car il faut du temps pour que la chaleur de la chaudière s’élève ou se dissipe avant d’atteindre la puissance souhaitée », explique M. Presser.

Par exemple, les chaudières à vapeur à électrodes à haute tension comme la CEJS d’Acme peuvent contrôler la capacité progressivement de 0 à 100 % et ont un taux de réduction de 100 % (le rapport entre la puissance maximale et la puissance minimale d’une chaudière). La plupart des chaudières à gaz ont un rapport de 10:1 ou 5:1, ce qui signifie que les unités ont besoin d’un niveau de sortie minimum beaucoup plus élevé pour fonctionner et qu’il leur faut beaucoup de temps pour atteindre leur pleine capacité.

« Avec un taux de réduction de 100 % [dans une unité à électrodes à jet haute tension], vous pouvez laisser la chaudière en veille à basse pression et l’amener à pleine capacité en 90 secondes environ, selon les besoins, ce qu’aucun autre type de chaudière ne peut faire aujourd’hui », explique M. Presser.

Les chaudières à vapeur à immersion haute tension comme la CEJWS d’Acme peuvent contrôler la capacité progressivement de 10 % à 100 %.  

« Les chaudières à vapeur CEJS et CEJWS atteignent 100 % de leur capacité en une minute à partir de la phase d’attente à chaud », explique M. Presser. Il ajoute que les pertes d’isolation en mode veille ne dépassent jamais 10 kW, même pour les grandes chaudières.

Une sécurité accrue

Les chaudières électriques à haute tension sont intrinsèquement beaucoup plus sûres que les chaudières traditionnelles à combustion, qui peuvent émettre des vapeurs nocives, laisser échapper du gaz et même provoquer des explosions et des incendies.

« Avec les chaudières à gaz, toute fuite de gaz peut augmenter le risque d’explosion partout où il y a des conduites de carburant, des fumées, des flammes ou des réservoirs de stockage. Les unités de gaz doivent donc être surveillées en permanence ou inspectées périodiquement », explique M. Presser.

Dans les chaudières à gaz, les explosions peuvent résulter de l’inflammation et de la combustion instantanée de gaz, de vapeurs ou de poussières hautement inflammables qui se sont accumulés dans la chaudière. La force de l’explosion est souvent bien supérieure à ce que la chambre de combustion de la chaudière peut supporter. Des explosions mineures, connues sous le nom de « flarebacks » ou « blowbacks », peuvent également souffler soudainement des flammes à plusieurs mètres des portes de tir et des ports d’observation, brûlant gravement toute personne se trouvant sur la trajectoire d’une flamme. 

Les émissions des chaudières au gaz naturel présentent également des risques potentiels sous forme d’émissions. En outre, les chaudières à combustibles fossiles peuvent être confrontées à des problèmes opérationnels potentiellement dangereux dus à une accumulation excessive de chaleur.

Les chaudières électriques modernes éliminent un grand nombre de ces risques et peuvent donc améliorer considérablement la sécurité des opérateurs et de l’environnement.

« Avec les chaudières à électrodes de type jet, il n’y a pas de risques de combustion, car il n’y a pas de flammes, de fumées, de conduites de carburant ou de réservoirs de stockage, ce qui minimise le risque d’explosions et d’incendies », explique M. Presser. En cas de court-circuit électrique, le disjoncteur qui protège le circuit haute tension se déclenche en quelques millisecondes, protégeant ainsi la chaudière et le réseau électrique. Il n’y a aucun risque d’accident électrique ou d’incendie provenant de la chaudière.

« Les chaudières électriques, et plus particulièrement les unités à électrodes, sont par nature la conception de chaudière la plus sûre à l’heure actuelle. Ces unités n’ont pas besoin d’opérateur, car, en cas de problème, le disjoncteur se déclenche, ce qui empêche l’aggravation du problème », explique M. Presser.

Comme la conception ne repose pas sur la combustion, elle ne produit pas d’émissions susceptibles de mettre en danger l’opérateur ou l’environnement. En outre, la conception élimine les problèmes environnementaux courants associés aux chaudières à combustible fossile, tels que les fumées de combustible, les cendres volantes et les grandes cheminées d’échappement gênantes.

Bien que les ingénieurs-conseils soient des experts dans leurs domaines de compétence respectifs, le fait de se tenir au courant des derniers développements de la technologie des chaudières électriques avancées peut offrir des avantages significatifs dans la fourniture d’eau chaude et de vapeur pour une variété d’usages industriels. 

Comprendre comment sélectionner, spécifier et installer les chaudières électriques en fonction de la situation spécifique permettra d’économiser de l’énergie, de l’espace et des ressources par rapport aux chaudières à combustible. En outre, cela facilitera non seulement la réussite du projet, mais aussi la création d’un environnement plus sûr qui contribuera à lutter contre le réchauffement climatique.

Pour en savoir plus, cliquez ICI