Les pompes à chaleur peuvent puiser dans les eaux usées comme source d’énergie. Le rendement en biogaz de nombreuses stations d’épuration peut également être augmenté. Pour ce faire, vous devez penser au-delà des limites du système et réorganiser les processus établis. Les municipalités de Kapfenberg et Gleisdorf en Autriche montrent comment cela peut être fait.
Vue aérienne de la station d’épuration de Gleisdorf. Le système photovoltaïque sur le toit fournit de l’électricité pour notre propre consommation et pour faire fonctionner la pompe à chaleur.
Photo : Schrotter, Gleisdorf/AWV Bassin de Gleisdorf
L’utilisation du biogaz des tours de digestion est déjà la norme pour de nombreuses stations d’épuration. Cependant, la chaleur à basse température des eaux usées reste souvent inutilisée. Il y a certainement beaucoup à y gagner. Un abaissement de la température des eaux usées de 1,5 °C et plus est techniquement réalisable. Cela signifie que 6,3 kW de chaleur peuvent être extraits des eaux usées par litre de débit. L’Université des ressources naturelles et des sciences de la vie appliquées de Vienne a calculé ce que cela signifie de mettre en œuvre cela dans toutes les grandes stations d’épuration d’Autriche avec une population équivalente d’au moins 2 000 personnes. Selon cela, ces stations d’épuration pourraient extraire 3 200 GWh de chaleur par an à partir des seules eaux usées. Environ 160 d’entre eux disposent également de tours de digestion. Si le biogaz qui en résulte est utilisé dans des centrales de production combinée de chaleur et d’électricité (CHP), il pourrait fournir 231 GWh de chaleur supplémentaires par an. Sur les 630 stations d’épuration examinées, 420 sont situées à proximité ou dans des agglomérations – elles pourraient donc également faire partie d’un réseau de chauffage urbain.
Chauffage urbain de la station d’épuration de Kapfenberg
La petite ville de Kapfenberg en Styrie montre comment cela peut être fait. Sur les rives de la Mürz, le projet “Riverside” est en cours de construction avec 220 appartements dont 64 dans des immeubles anciens rénovés. Les nouveaux appartements auront besoin d’environ 850 MWh de chaleur par an. Les services publics municipaux veulent le nouveau quartier avec du CO2-Fourniture gratuite de chauffage urbain. Depuis le début de 2021, une partie provient d’une centrale de cogénération au biogaz dans la station d’épuration de l’autre côté de la rivière. Avec quelques modifications de la station d’épuration, cette part devrait augmenter de manière significative. Le nouveau pipeline relie non seulement les berges, mais rassemble également les infrastructures d’eau et d’énergie. Cet emboîtement est au centre des préoccupations de plusieurs projets de recherche de l’AEE – Institut des Technologies Durables (AEE Intec) de Gleisdorf.
Concept d’utilisation des eaux usées et de la chaleur pour la station d’épuration et le nouveau quartier résidentiel “Riverside” à Kapfenberg, Autriche. Graphisme : Bernd Hrdy
La station d’épuration de Kapfenberg utilise depuis longtemps le biogaz produit dans une centrale de cogénération. Cela fournit 60% de l’électricité nécessaire sur le site et 100% de la chaleur. Si vous ne regardez que la station d’épuration, cela semble être une solution réussie à première vue.
Mais dans un monde censé devenir climatiquement neutre dans son ensemble, cela ne va pas assez loin. Le biogaz est un carburant transportable et stockable. De plus, production et consommation correspondent malgré les 320 m3 stockage combiné de gaz pas toujours ensemble. La station d’épuration a besoin de 387 000 kWh de gaz naturel supplémentaires par an, tandis qu’à d’autres moments, près d’un dixième du biogaz doit être brûlé sans être utilisé.
Niveaux de température adaptés aux pompes à chaleur
Les partenaires du projet recherchaient donc une solution efficace pour l’ensemble du système. Les niveaux de température sont un point de friction. Les processus de digestion nécessitent une température de 38 °C. Afin d’atteindre de manière démontrable cette température avec l’échangeur de chaleur existant à l’intérieur de la tour de digestion, le chauffage précédent fonctionnait avec une température de départ de 80 °C. Dans le même temps, les eaux usées de la station d’épuration ont une température moyenne de 15 °C. Ceci est très bien adapté pour couvrir les besoins en température des procédés utilisant une pompe à chaleur. Cependant, puisqu’un tel changement est associé à une température d’alimentation plus basse, le contrôle du digesteur et l’échangeur de chaleur existant doivent être ajustés afin de continuer à atteindre la température cible. Suite à ces ajustements, la température de départ requise chute à 55 °C. Cela permet à la pompe à chaleur de fonctionner avec un facteur de performance annuel de 3,8. Les bâtiments résidentiels et commerciaux sont isolés et également chauffés grâce à la thermopompe. Le chauffage à haute température ne sera alors nécessaire sur le site que pour l’eau chaude sanitaire des bâtiments.
En été, la cogénération couvre la totalité des besoins en chaleur de la station d’épuration et de la zone résidentielle. En hiver, par contre, un apport de chaleur supplémentaire est nécessaire. Elle proviendra d’une chaudière à biomasse. Graphisme : Bernd Hrdy
La planification détaillée de la pompe à chaleur doit être achevée dans le courant de 2022 et la construction est prévue pour 2023. À temps pour la saison de chauffage 2023/24, la station d’épuration devrait alors être en mesure de fournir environ la moitié de la chaleur pour le nouveau quartier.
Gleisdorf : La chaleur des eaux usées également pour le réseau
À l’avenir, la station d’épuration de Gleisdorf fournira également de la chaleur au réseau de chauffage urbain. Une pompe à chaleur pour eaux usées et une cogénération fonctionnant au biogaz de la tour de digestion devraient contribuer ensemble à 750 kW de puissance thermique. Bien plus de la moitié de la chaleur du réseau provient déjà de la biomasse, environ 3,5 % des capteurs solaires.
Contrairement à Kapfenberg, cependant, une innovation dans la technologie des procédés vise à rendre le biogaz supplémentaire disponible à Gleisdorf. Les chercheurs d’AEE Intec veulent éliminer une partie de l’azote des eaux usées d’un flux latéral hautement concentré de la station d’épuration en utilisant la distillation membranaire et l’utiliser pour produire l’engrais sulfate d’ammonium. Cet aspect gagne également en importance, puisque le gaz naturel est nécessaire pour produire l’ammoniac des engrais azotés conventionnels.
En été, le biogaz, les pompes à chaleur et le solaire thermique suffisent
Cela laisse moins de travail aux micro-organismes dans l’étape d’épuration biologique de la station d’épuration. Cela réduit également leurs besoins en carbone – et une plus grande partie est retenue pour la production de biogaz. La distillation membranaire présente donc deux avantages : elle sert d’étape supplémentaire de pré-épuration et elle augmente la production de gaz de 80 %. Le projet fait partie du projet “ThermaFlex”, qui est coordonné par AEE Intec et financé par le fonds autrichien pour le climat et l’énergie dans le cadre de la région phare “GreenEnergyLab”.
Afin d’utiliser la chaleur de la station d’épuration, Stadtwerke Gleisdorf construit un caloduc de 1 km de long. Pendant les mois d’été, le biogaz et les pompes à chaleur, associés à l’énergie solaire thermique, fourniront l’intégralité des besoins en chaleur du réseau. En hiver, la pompe à chaleur couvrira la charge de base du réseau de chauffage urbain à un niveau de basse température. La construction du nouveau centre énergétique et du caloduc a déjà commencé.
Les outils facilitent les décisions complexes
Chaleur, électricité, eau propre et récupération des nutriments – si vous souhaitez optimiser l’ensemble d’un système, vous devez prendre en compte de nombreux facteurs. Pour ce faire, vous devez réunir de nombreux intervenants autour de la table. Mais il est également difficile de trouver la meilleure solution d’un point de vue purement technique. Entre autres, l'”outil d’aide à la décision” du projet “AR-HES-B” (traitement des eaux usées pour le stockage d’énergie hybride, l’approvisionnement en énergie et la récupération des ressources) a été utilisé pour évaluer les projets à Gleisdorf et Kapfenberg.
À l’aide des données sur les eaux usées, des scénarios avec différentes technologies peuvent être évalués. L’outil équilibre le carbone, l’azote, le phosphore, le biogaz, la chaleur et l’électricité et permet un bilan économique et écologique dès la conception.
L’exemple de Kapfenberg montre que cela dépend avant tout de la quantité de chaleur vendue. La ligne de chauffage urbain de la station d’épuration au quartier Riverside coûterait un bon 46 000 €. Le calcul de rentabilité semblait déjà bon lorsque la décision d’investissement a été prise à l’été 2020. L’exploitant de la station d’épuration a calculé un revenu de 5 100 €/an de la vente de chaleur à 3 centimes/kWh. A cette époque, la période de récupération était inférieure à dix ans. Si l’on tient compte du fait que le prix du gaz naturel a explosé depuis et que le chauffage urbain gagne ainsi de plus en plus de nouveaux clients, c’est d’autant plus intéressant.
Attirant pour les nouveaux consommateurs
Avec la chaleur bon marché et sûre, l’installation de nouveaux consommateurs peut également être attrayante. Les serres, l’aquaculture ou les systèmes de séchage pourraient utiliser la chaleur. Vue de manière globale, la récupération de ressources telles que l’azote gagnera également en importance. De cette façon, les municipalités et les compagnies des eaux peuvent tirer encore plus des eaux usées – non seulement plus d’énergie, mais aussi des matières premières et, en fin de compte, des emplois et des recettes fiscales.