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Production de chaleur - Système à biomasse - Plusieurs bâtiments / Canada (Kapuskasing Airport)
Mandat de l'étude de cas
Le directeur des travaux publics d'une petite ville au nord-ouest de l'Ontario (Canada), vous a demandé d'analyser la faisabilité d'une installation de chauffage urbain au bois. La ville est impliquée dans la gestion d'une forêt du domaine public qui génère des quantités exploitables de résidus de biomasse. La plupart des bâtiments sont actuellement chauffés au gaz naturel. Votre étude se concentrera sur le chauffage par le réseau urbain d'un centre hospitalier, de deux écoles, d'un entrepôt et d'un édifice à bureaux du Ministère provincial des Richesses naturelles (MRN).
Données techniques
La station météorologique la plus proche est celle de l'aéroport de Kapuskasing. La ville se trouve dans la région de la forêt boréale ontarienne qui encourage une exploitation durable de la forêt. L'emplacement des cinq bâtiments, qui seront raccordés au réseau de chauffage urbain, ainsi que le plan des conduites sont montrés schématiquement dans la figure suivante.
Mandat de l'étude de cas
Le directeur des travaux publics d'une petite ville au nord-ouest de l'Ontario (Canada), vous a demandé d'analyser la faisabilité d'une installation de chauffage urbain au bois. La ville est impliquée dans la gestion d'une forêt du domaine public qui génère des quantités exploitables de résidus de biomasse. La plupart des bâtiments sont actuellement chauffés au gaz naturel. Votre étude se concentrera sur le chauffage par le réseau urbain d'un centre hospitalier, de deux écoles, d'un entrepôt et d'un édifice à bureaux du Ministère provincial des Richesses naturelles (MRN).
Données techniques
La station météorologique la plus proche est celle de l'aéroport de Kapuskasing. La ville se trouve dans la région de la forêt boréale ontarienne qui encourage une exploitation durable de la forêt. L'emplacement des cinq bâtiments, qui seront raccordés au réseau de chauffage urbain, ainsi que le plan des conduites sont montrés schématiquement dans la figure suivante.
Les besoins énergétiques de ces bâtiments ont été caractérisés et les résultats, accompagnés des superficies correspondantes de chaque bâtiment, sont présentés dans le tableau suivant. Le rendement saisonnier des anciennes chaudières au gaz naturel a été estimé à 68 %.
La nouvelle chaudière à biomasse sera secondée par une chaudière auxiliaire au gaz naturel en période de pointe. Ces deux chaudières auront chacune une puissance thermique de 1 500 kW. La teneur en eau de la biomasse (principalement des copeaux de bois) est de l'ordre de 50 % en moyenne.
Le sol sablonneux se prête particulièrement bien à l'enfouissement de la tuyauterie d'un réseau de chauffage urbain à température intermédiaire. On prévoit qu'il n'y aura aucun autre réseau souterrain qui pourrait venir compliquer l'installation de la tuyauterie. De plus, la plupart des tuyaux pourront être enfouis dans des aires gazonnées, ce qui permet de réduire de moitié les coûts d'installation par rapport à ceux engendrés lorsqu'on est dans des zones asphaltées ou bétonnées. À proximité de l'installation proposée se trouvent plusieurs autres bâtiments qui représentent une demande énergétique d'environ 20 % de plus.
Données financières
Les clients seront facturés au même prix que s'ils avaient continué à utiliser le gaz naturel pour le chauffage. Le coût moyen de la biomasse (essentiellement le coût du transport) est de 5 $ la tonne métrique, le prix de l'électricité est de 0,10 $/kWh et le prix du gaz naturel est de 0,33 $/m³ incluant les frais de livraison et autres charges mensuelles allouées au fournisseur de gaz naturel.
Les coûts de certains éléments du système de chauffage urbain ont été établis dans une analyse antérieure : la chaudière à biomasse coûtera environ 300 000 $, plus 105 000 $ pour son installation; la construction de la chaufferie et d'une aire de stockage de la biomasse est estimée à 185 000 $ incluant la main d'œuvre; l'isolation thermique des parois de la chaudière, réalisée avec des matériaux réfractaires, sera remplacée tous les cinq ans à un coût de 5 000 $.
La municipalité vous fournit les paramètres financiers nécessaires à l'analyse : le taux d'inflation ainsi que le taux d'indexation du coût en combustible seront de 2 %, le taux d'actualisation de 9 %, le ratio d'endettement de 75 %, le taux d'intérêt sur la dette de 7 % et la durée de l'emprunt de 15 ans. La durée de vie du projet est estimée à 25 ans.
Préparer une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirer les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
Projet réel
Résultats
Geraldton est une petite ville d'environ 2 600 personnes qui se trouve au nord-ouest de l'Ontario. Elle fait partie de la municipalité de Greenstone, à environ 290 km au nord-est de Thunder Bay. Située dans la région de la forêt boréale de l'Ontario, la ville s'implique activement dans la gestion et l'exploitation durable de la forêt. Comme son activité économique est orientée vers les ressources forestières, cette agglomération envisage d'utiliser la biomasse locale comme source d'énergie. Une étude de faisabilité a établi qu'un système de chauffage urbain serait un investissement intéressant à long terme pour la ville qui chauffait auparavant la plupart de ses bâtiments publics au gaz naturel.
La construction du réseau de chauffage urbain de la ville de Geraldton s'est terminée en 1997. Le système de chauffage urbain alimente deux écoles, un petit édifice à bureaux et un entrepôt. Aucun client n'a été sollicité pour contribuer à l'investissement dans le nouveau système de chauffage, ni pour payer de frais de raccordement. L'installation du système a coûté au total 1,6 M$.
Description du système
Le système de chauffage comprend deux chaudières de puissance identique de 1,6 MW, l'une à biomasse et l'autre au gaz naturel, cette dernière étant utilisée uniquement en périodes de pointe. Ces deux chaudières ont été conçues et fournies par Sylva Energy Systems, une société sise à Thunder Bay, en Ontario. Les résidus de bois sont fournis gratuitement (excepté les frais de transport) par la société municipale d'exploitation forestière et par des scieries environnantes. La biomasse de ces deux provenances est mélangée au moyen d'un système de stockage pourvu de deux trémies. La chambre de combustion est équipée de grilles inclinées à mouvement alternatif et d'une évacuation automatique des cendres. La chaudière est montée au-dessus de la chambre de combustion. Le système possède un dépoussiéreur hydraulique humide qui élimine les particules en suspension de l'effluent gazeux en plus d'un système de mesure des émissions. La chaudière de pointe, qui sert aussi de chaudière auxiliaire, utilise le gaz naturel et est contrôlée automatiquement. Des problèmes initiaux liés à une contamination de la biomasse ont causé quelques arrêts inopinés de la chaudière à biomasse et on a eu recours à plus de gaz naturel que prévu.
Durant l'été, la chaufferie et le réseau de chauffage sont arrêtés et l'eau chaude sanitaire est fournie par le système au gaz naturel propre à chaque bâtiment.
Le réseau de chauffage urbain comprend environ 1 200 m de tuyauterie. Les tuyaux ont été pourvus d'un système de détection de fuites qui permet d'identifier rapidement d'éventuels problèmes. On contrôle le débit des pompes du réseau de chauffage par un système à fréquence variable. Chaque client est équipé d'un compteur d'énergie et la facturation est envoyée mensuellement. Quelques problèmes initiaux avec l'implantation des stations de transfert d'énergie ont réduit la capacité du système à fournir la quantité d'énergie initialement prévue.
En dépit des plans originaux, l'hôpital n'a pas été raccordé au réseau de chauffage urbain, car il y avait des craintes quant à la fiabilité du système de chauffage au bois. Cependant, le système a été dimensionné de manière à pouvoir y raccorder l'hôpital plus tard. La tuyauterie du réseau de distribution a aussi été surdimensionnée de manière à permettre d'y raccorder plus tard d'autres bâtiments existant déjà ou à construire.
Leçons à tirer
Aperçu général
L'installation d'un système de chauffage urbain s'avérera profitable pour les agglomérations qui sont pourvues d'un groupe de bâtiments avec des superficies importantes et disposent de la biomasse à faible coût. Qu'elle soit générée par l'exploitation des forêts publiques ou privées ou bien par les résidus de l'industrie du bois, la biomasse constitue une source intéressante d'énergie de chauffage et représente autant de matière détournée des dépotoirs.
Un réseau de chauffage urbain permet également de créer des emplois locaux et contribue aux efforts de réduction des émissions de gaz à effet de serre.
Photo
Chauffage urbain - Chaudière - Bois - résidus, Ontario, Canada
Références
Le sol sablonneux se prête particulièrement bien à l'enfouissement de la tuyauterie d'un réseau de chauffage urbain à température intermédiaire. On prévoit qu'il n'y aura aucun autre réseau souterrain qui pourrait venir compliquer l'installation de la tuyauterie. De plus, la plupart des tuyaux pourront être enfouis dans des aires gazonnées, ce qui permet de réduire de moitié les coûts d'installation par rapport à ceux engendrés lorsqu'on est dans des zones asphaltées ou bétonnées. À proximité de l'installation proposée se trouvent plusieurs autres bâtiments qui représentent une demande énergétique d'environ 20 % de plus.
Données financières
Les clients seront facturés au même prix que s'ils avaient continué à utiliser le gaz naturel pour le chauffage. Le coût moyen de la biomasse (essentiellement le coût du transport) est de 5 $ la tonne métrique, le prix de l'électricité est de 0,10 $/kWh et le prix du gaz naturel est de 0,33 $/m³ incluant les frais de livraison et autres charges mensuelles allouées au fournisseur de gaz naturel.
Les coûts de certains éléments du système de chauffage urbain ont été établis dans une analyse antérieure : la chaudière à biomasse coûtera environ 300 000 $, plus 105 000 $ pour son installation; la construction de la chaufferie et d'une aire de stockage de la biomasse est estimée à 185 000 $ incluant la main d'œuvre; l'isolation thermique des parois de la chaudière, réalisée avec des matériaux réfractaires, sera remplacée tous les cinq ans à un coût de 5 000 $.
La municipalité vous fournit les paramètres financiers nécessaires à l'analyse : le taux d'inflation ainsi que le taux d'indexation du coût en combustible seront de 2 %, le taux d'actualisation de 9 %, le ratio d'endettement de 75 %, le taux d'intérêt sur la dette de 7 % et la durée de l'emprunt de 15 ans. La durée de vie du projet est estimée à 25 ans.
Préparer une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirer les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
- La demande énergétique en chauffage est calculée en faisant la somme des besoins d'énergie pour le chauffage et pour la production d'eau chaude sanitaire (ECS) de tous les bâtiments. On calcule ensuite ce que les besoins d'énergie pour produire l'ECS représentent proportionnellement à ce total.
- La demande énergétique de chaque groupe de bâtiments a été calculée en additionnant les besoins d'énergie pour le chauffage et pour la production d'ECS à partir du tableau de données. La charge en chauffage pour chaque groupe de bâtiments (en W/m²) a ensuite été ajustée de manière à obtenir la valeur qui correspond à la demande énergétique en chauffage. La fonction « valeur cible » de Microsoft Excel peut aussi être utilisée pour trouver la bonne donnée (la charge en chauffage) quand on connaît le résultat du calcul (la demande énergétique en chauffage).
- La méthode « Formule » a été utilisée pour évaluer les coûts du réseau de chauffage et un facteur de coût de 0,5 a été appliqué aux coûts du réseau de distribution principal et secondaire afin de refléter les conditions les plus favorables d'enfouissement de la tuyauterie.
- Cette analyse est faite dans la perspective d'une municipalité qui envisage d'installer et d'exploiter un réseau de chauffage urbain. On suppose que les cinq bâtiments qui doivent être raccordés continueront de payer un montant équivalent à celui qu'ils auraient payé s'ils étaient restés au gaz naturel, sauf que ces paiements deviennent une source de revenu pour la municipalité. Pour les propriétaires de bâtiments, les avantages financiers du nouveau système comprennent une protection contre les variations du prix du gaz naturel et l'élimination des coûts d'investissement et d'entretien associés à l'exploitation de leur ancien système de chauffage.
Projet réel
Résultats
Geraldton est une petite ville d'environ 2 600 personnes qui se trouve au nord-ouest de l'Ontario. Elle fait partie de la municipalité de Greenstone, à environ 290 km au nord-est de Thunder Bay. Située dans la région de la forêt boréale de l'Ontario, la ville s'implique activement dans la gestion et l'exploitation durable de la forêt. Comme son activité économique est orientée vers les ressources forestières, cette agglomération envisage d'utiliser la biomasse locale comme source d'énergie. Une étude de faisabilité a établi qu'un système de chauffage urbain serait un investissement intéressant à long terme pour la ville qui chauffait auparavant la plupart de ses bâtiments publics au gaz naturel.
La construction du réseau de chauffage urbain de la ville de Geraldton s'est terminée en 1997. Le système de chauffage urbain alimente deux écoles, un petit édifice à bureaux et un entrepôt. Aucun client n'a été sollicité pour contribuer à l'investissement dans le nouveau système de chauffage, ni pour payer de frais de raccordement. L'installation du système a coûté au total 1,6 M$.
Description du système
Le système de chauffage comprend deux chaudières de puissance identique de 1,6 MW, l'une à biomasse et l'autre au gaz naturel, cette dernière étant utilisée uniquement en périodes de pointe. Ces deux chaudières ont été conçues et fournies par Sylva Energy Systems, une société sise à Thunder Bay, en Ontario. Les résidus de bois sont fournis gratuitement (excepté les frais de transport) par la société municipale d'exploitation forestière et par des scieries environnantes. La biomasse de ces deux provenances est mélangée au moyen d'un système de stockage pourvu de deux trémies. La chambre de combustion est équipée de grilles inclinées à mouvement alternatif et d'une évacuation automatique des cendres. La chaudière est montée au-dessus de la chambre de combustion. Le système possède un dépoussiéreur hydraulique humide qui élimine les particules en suspension de l'effluent gazeux en plus d'un système de mesure des émissions. La chaudière de pointe, qui sert aussi de chaudière auxiliaire, utilise le gaz naturel et est contrôlée automatiquement. Des problèmes initiaux liés à une contamination de la biomasse ont causé quelques arrêts inopinés de la chaudière à biomasse et on a eu recours à plus de gaz naturel que prévu.
Durant l'été, la chaufferie et le réseau de chauffage sont arrêtés et l'eau chaude sanitaire est fournie par le système au gaz naturel propre à chaque bâtiment.
Le réseau de chauffage urbain comprend environ 1 200 m de tuyauterie. Les tuyaux ont été pourvus d'un système de détection de fuites qui permet d'identifier rapidement d'éventuels problèmes. On contrôle le débit des pompes du réseau de chauffage par un système à fréquence variable. Chaque client est équipé d'un compteur d'énergie et la facturation est envoyée mensuellement. Quelques problèmes initiaux avec l'implantation des stations de transfert d'énergie ont réduit la capacité du système à fournir la quantité d'énergie initialement prévue.
En dépit des plans originaux, l'hôpital n'a pas été raccordé au réseau de chauffage urbain, car il y avait des craintes quant à la fiabilité du système de chauffage au bois. Cependant, le système a été dimensionné de manière à pouvoir y raccorder l'hôpital plus tard. La tuyauterie du réseau de distribution a aussi été surdimensionnée de manière à permettre d'y raccorder plus tard d'autres bâtiments existant déjà ou à construire.
Leçons à tirer
- Une bonne communication est nécessaire pour convaincre les propriétaires de bâtiments des avantages d'un réseau de chauffage urbain.
- Des ingénieurs d'expérience doivent effectuer un suivi continu afin d'identifier et de résoudre rapidement et efficacement les problèmes qui peuvent survenir pendant la réalisation du projet.
- Le système de manutention de la biomasse doit être capable de traiter le combustible contaminé.
- La teneur variable en eau et la taille non uniforme des copeaux engendrent des problèmes techniques qui doivent être envisagés à l'étape de la conception du projet.
- Afin de pouvoir attirer plus de clients, il est très important de démontrer la fiabilité maximale du système.
- Le raccordement de tous les bâtiments municipaux permettra d'augmenter la rentabilité du projet.
- Le réseau de chauffage urbain peut être installé avec succès par des entrepreneurs locaux qui n'ont pas d'expertise dans ce domaine à condition que ceux-ci bénéficient d'une supervision appropriée.
- La rentabilité d'un système peut être gravement compromise si des clients potentiels importants décident de ne pas se raccorder au réseau.
Aperçu général
L'installation d'un système de chauffage urbain s'avérera profitable pour les agglomérations qui sont pourvues d'un groupe de bâtiments avec des superficies importantes et disposent de la biomasse à faible coût. Qu'elle soit générée par l'exploitation des forêts publiques ou privées ou bien par les résidus de l'industrie du bois, la biomasse constitue une source intéressante d'énergie de chauffage et représente autant de matière détournée des dépotoirs.
Un réseau de chauffage urbain permet également de créer des emplois locaux et contribue aux efforts de réduction des émissions de gaz à effet de serre.
Photo
Chauffage urbain - Chaudière - Bois - résidus, Ontario, Canada
Références
- McConnell, Tom, « Communications personnelles », Municipalité de Greenstone, 2002.
- Ziegler, Urban, « Communications personnelles », PEMtec, 2002.
