Unités de valorisation énergétique UVE (Usine d’incinération des ordures ménagères)

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4. CARACTÉRISATION DES PRODUCTIONS / UTILISATEURS D’ÉNERGIE CALORIFIQUE DES

4.1. I DENTIFICATION DES PROCEDES DE VALORISATION ENERGETIQUE DES DECHETS INTERESSES

4.1.1. Unités de valorisation énergétique UVE (Usine d’incinération des ordures ménagères)

4.1.1.1.

Généralités

Définition

Le terme incinération désigne « l’action de réduire en cendres, de détruire par le feu ».

Appliquée aux déchets, elle vise « tout équipement ou unité technique fixe ou mobile, affectée au traitement thermique de déchets, avec ou sans récupération de chaleur de la chaleur produite par la combustion ». (Source : technosup collection développement durable traitement des déchets)

D’une façon générale, l’incinération est un procédé de traitement thermique des déchets en présence d’oxygène de l’air dans des fours quel que soit le type de déchet.

Pour les déchets ménagers, c’est un mode d’élimination des ordures en les brûlant à haute température.

A l’origine, l’incinération avec récupération d’énergie n’était pas un but, mais visait l’élimination des déchets pour réduire le volume. Le premier incinérateur est né au Royaume Uni en 1876.

L’incinération a pour effet la réduction de 90% du volume et 70% du poids des déchets.

Secteurs concernés L’incinération s’applique :

• aux ordures ménagères brutes ou mélangées à des déchets non dangereux ou à des boues ;

• aux déchets dangereux dans des fours spécifiques, en général en présence d’un appoint de combustible ;

• aux refus de tri visant le recyclage ou le compostage.

Principes généraux et aspects théoriques

En oxydant totalement les déchets ménagers, en particulier la matière organique, l’incinération permet de réduire le volume et la masse de la matière à éliminer.

Ces multiples réactions d’oxydation génèrent les deux produits ultimes souhaitables, gaz carbonique et vapeur d’eau, mais aussi une multitude de composés intermédiaires non désirés en faibles quantités dont le monoxyde de carbone, les dioxines, les furanes qui sont ensuite traité avec des procédés adaptés.

La composition des ordures ménagères est variable et l’humidité importante des déchets ne permet pas l’auto-inflammation spontanée et nécessite une étape de séchage dans le four avant sa combustion proprement dite.

La combustion terminée, les déchets pénètrent dans une zone de fin de combustion où ils se transforment en mâchefers incandescents.

Procédés de combustion

- Par incinération

Le four à grille. Les déchets progressent en couches relativement minces afin de faciliter l’alimentation en air indispensable à la combustion. Le four à grille, le plus répandu dans les installations de traitement thermique, est caractérisé par une grille mobile où les déchets progressent au fur et à mesure qu’ils sont brûlés. L’air de combustion est insufflé en partie au travers de cette grille qui mélange les déchets de façon à assurer un renouvellement permanent de l’air autour des matériaux à brûler. La majorité des incinérateurs de déchets ménagers utilisent des fours à grille.

Le four à rouleau est constitué de gros rouleaux qui tournent dans le sens de l’inclinaison.

Le four peut être utilisé pour des capacités de traitement moyennes à fortes.

Il existe également un système dans lequel c’est le four lui-même qui tourne ou oscille autour d’un axe légèrement incliné (four oscillant).

Le four à lit fluidisé mis au point pour l’utilisation de combustibles de très mauvaise qualité (tourbes, certains déchets de charbon) a été adapté aux ordures ménagères. Le four maintient le combustible en suspension, en général au sein d’une masse de produits inertes, grâce à un système d’injection d’air à la base de la chambre de combustion. Une préparation préalable des déchets est indispensable afin d’obtenir une granulométrie constante. Ce procédé reste peu utilisé par rapport au four à grille.

- Par gazéification

Non développée à ce jour en France, cette technologie est très présente au Japon notamment dans le domaine des déchets. On se reportera à l’étude RECORD N°09-0232/1A qui présente les différentes technologies d’abattage des gaz de synthèse issus de procédés de traitement des déchets.

Le déchet introduit est préparé pour disposer d’une granulométrie homogène et d’une composition à haut PCI.

Valorisation énergétique

(Source : Cadet International)

Le traitement thermique, lorsqu’il est accompagné d’une récupération de l’énergie libérée par la combustion, permet une valorisation énergétique des déchets par un poste de valorisation énergétique sur l’UVE sous forme de chaleur, sous forme d’électricité ou les deux à la fois (cogénération). La récupération d’énergie peut se concevoir pour tous les types de déchets traités thermiquement.

La valorisation s’effectue généralement dans une chaudière à tube d’eau, la vapeur étant utilisée directement en chaleur ou par un groupe turbo-alternateur à contre-pression ou à condensation pour produire de l’électricité.

Dans tous ces cas, un équipement de condensation est nécessaire pour permettre la condensation de la vapeur résiduelle.

On citera le cas atypique de la gazéification avec production d’un gaz combustible brûlé en chaudière ou en cogénération gaz.

Les principaux postes de valorisation de l’énergie sur une UVE sont les suivants :

- chaudière de récupération d’énergie (vapeur saturée ou surchauffée ; 200-400°C) - gaines de fumées, cheminée (variation température des fumées entre 150 et 300°C) - vapeur résiduelle de condensation et réseau de condensats (30-90°C)

- extracteur à mâchefers (buées) - circuit de refroidissement de process

Le lecteur pourra également se reporter à l’étude RECORD N°10-0234/1A concernant la valorisation des énergies à bas niveaux de température réalisée par Cadet International/GRETh.

4.1.1.2.

Etat des lieux sur les UVE en France

En France, on recense une quarantaine de réseaux de chaleur alimentés par des UVE, qui représentent une fourniture d’énergie de 4,2 TWh (0,36 MTep) (données-enquête CIBE 12/2008).

On distingue deux grandes familles de réseaux de chaleur raccordés à des UVE (classement selon AMORCE):

- les réseaux qui se sont construits à partir de l’UVE, c’est-à-dire pour répondre à la problématique

« une UVE produit de l’énergie, où pouvons nous la valoriser » ; le taux de couverture par l’UVE est alors généralement élevé, le réseau n’étant même parfois capable d’enlever qu’une partie de la chaleur, même en hiver ;

- les réseaux de chaleur préexistants par rapport à l’usine, sur lesquels un raccordement a été fait pour compléter le bouquet énergétique ; le taux de couverture est alors beaucoup plus variable.

On dénombre, en 2010, 130 usines d’incinération d’ordures ménagères en France alors que l’on pouvait en compter 300 en 1993 (données Syndicat des énergies renouvelables, mai 2010). Plusieurs catégories d’incinérateurs existent :

- les incinérateurs ne valorisant pas l’énergie produite

- les incinérateurs valorisant l’énergie produite par l’une des deux voies de valorisation (chaleur ou électricité)

- les incinérateurs valorisant leur production simultanément en électricité (turboalternateur) et en chaleur pour l’alimentation d’un réseau

On comptabilise 112 usines valorisant l’énergie des déchets. Les 18 usines ne valorisant pas cette énergie tendent à disparaître sous la pression des autorités sous différentes formes (TGAP par exemple).

La production thermique (6 600 GWh) du parc d’UVE français est deux fois plus importante que la valorisation électrique (3 500 GWh).

L’état a mis en place différentes mesures de soutient pour permettre le développement de la valorisation des déchets par incinérations pour répondre aux objectifs du Grenelle :

- prix d’achat de l’électricité - TGAP

- TVA à 5,5 % pour les réseaux de chaleur alimentés par des ENR dont les UVE

Pour plus d’informations se référer à l’annexe 9 : Caractérisation des unités de valorisation énergétique en France.

Bilan sur les UVE en France

Les 112 UVE avec valorisation énergétique peuvent être classées par mode de valorisation à savoir : chaleur seule, électricité seule et cogénération.

Un tableau récapitulatif des grandeurs nécessaires sera présenté en annexe 9 « Unités de valorisation énergétique des déchets : caractéristiques des fours et des chaudières». Ce dernier regroupera les différents modes de valorisation énergétique ainsi que les caractéristiques de la chaleur produite et le mode de stockage/transport pouvant être utilisé dans chaque cas, …

Voir aussi l’annexe 10 « Unités de valorisation énergétique des déchets : vente d’électricité et de chaleur ».

- Les modes de fournitures d’énergie

On note trois modes de fournitures d’énergie à savoir : tout chaleur ; tout électricité et cogénération.

Ces modes de valorisation énergétique dépendent de la capacité de chaque usine. Globalement les capacités sont comprises entre 5 et 670 kt/an. Basé sur un échantillon de 101 UVE, le tableau ci-dessous donne le nombre d’UVE par mode de valorisation ainsi que le tonnage qui lui est associé.

Echantillon Tout chaleur Tout électricité Cogénération

98 28 41 29

Moy : 102,7 kt/an Min : 4,7 kt/an Max : 669,9 kt/an

Moy : 49,2 kt/an Min : 4,7 kt/an Max : 129,4 kt/an

Moy : 105,2 kt/an Min : 22,4 kt/an Max : 345 kt/an

Moy : 188,6 kt/an Min : 36,6 kt/an Max : 669,9kt/an Tonnages moyens incinérés par usine par an (kt/an)

(Source : Cadet International)

Ce tableau ne concerne que les usines qui revendent de la chaleur, de l’électricité ou les deux.

Les moyennes minimales, maximales et totales sont faites sans les données de certaines usines.

D’une manière générale, la capacité des usines dépend du fait qu’elles fassent des toutes chaleurs, des toutes électricités ou de la cogénération.

Les usines avec cogénération ont des capacités annuelles plus importantes que celles tout électrique ou tout chaleur. Ces usines disposent d’un potentiel énergétique assez important pour à la fois produire de l’électricité mais aussi satisfaire la demande totale ou partielle du besoin de chaleur de proximité.

(Source : Cadet International)

Répartition des capacités horaires des usines de récupération énergétique

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

t/h<3 3<=t/h<5 5<=t/h<10 10<=t/h<20 20<=t/h<40 t/h>=40 Tonnes/Heures

Nombre d'UVE

Bilan sur la répartition des capacités horaires selon le mode de valorisation énergétique

0 5 10 15 20 25

Tout chaleur Tout électricité Cogénération

Tonnes/Heures

Nombres d'UVE t/h<3

3<=t/h<5 5<=t/h<10 10<=t/h<20 20<=t/h<40 t/h>=40

- Répartition des capacités horaires des UVE

La capacité horaire moyenne de l’échantillon est de 15,8 t/h variant entre 1 t/h et 100 t/h. 45% des usines avec valorisation énergétique se situent entre 10 et 20 t/h.

(Source : Cadet International)

Le bilan sur la répartition de la capacité horaire des UVE en France suivant le mode de valorisation à savoir : tout chaleur, tout électricité et cogénération est présenté dans le graphique qui suit :

(Source : Cadet International)

Les UVE « tout chaleur » ont toutes des capacités horaires inférieures à 20 t/h ; elles sont de petites capacités.

Les UVE « tout électricité » ont des capacités horaires très dispersées avec une prépondérance entre 10 et 20 t/h.

Les UVE « cogénération » ont des capacités horaires moyennes supérieures à 10 t/h.

- Puissance thermique : répartition par mode de valorisation comprise entre 3 MW à 313

Utilisateurs de chaleur recensés

0 24 68 10 12 1416

Industrie Industrie/Logeme nts Logements Hôpitaux Ville Serristes Séchage de boues Papeteries Réseaux de chaleur quelconque

Utilsateurs par type d'énergie

Nombre d'UVE

Comprise entre 2,6 et 260 MW, la puissance thermique est proportionnelle aux capacités horaires.

(Source : Cadet International)

- Les caractéristiques de la chaleur produite

Si l’on se réfère aux plages de températures définies au 1.3 concernant le stockage thermique, on note :

• Basse température (30/70°C):

aucune UVE

• Moyenne température

(70/100°C) : aucune UVE

• Haute température (100/250°C) : 24 UVE

• Très haute température (>250°C):

67 UVE

Nous n’avons pas les informations nécessaires concernant les autres UVE.

(Source : Cadet International)

- Les utilisateurs de chaleur par type d’énergie

Les sites utilisateurs se situent principalement à une dizaine de kilomètre du site de production.

Néanmoins on note un infime partie des réseaux faisant plus de 20 km.

(Source : Cadet International)

- Les caractéristiques des utilisateurs

(Source : Cadet International)

4.1.1.3.

Notions contractuelles de revente d’énergie

Bilan sur la vente de la chaleur

On compte 55 unités qui revendent de la chaleur et/ou de l’électricité.

Ces 55 unités peuvent être réparties en trois pôles de vente à savoir ceux qui revendent à un réseau de chaleur quelconque, ceux qui revendent à l’industrie et ceux qui revendent à un réseau de chaleur et à l’industrie.

(Source : Cadet International)

S’agissant des UVE cogénération, on constate que :

- certaines UVE ne vendent pas beaucoup de chaleur mais privilégient plutôt la vente d’électricité. Cela est du en majorité au fait que les consommateurs qui se trouvent à proximité sont peu consommateur de chaleur. Il peut s’agir de réseau chaleur urbain de petite puissance ou d’industriels.

- des UVE vendent beaucoup de chaleur car se trouvant à proximité de gros consommateurs de chaleur (exemple : UVE de la région parisienne alimentant le CPCU).

Autoconsommation de la chaleur

L’autoconsommation de la chaleur est un paramètre assez difficile à suivre car pouvant être due à : - une utilisation de la chaleur dans le cycle thermique,

- une utilisation de la chaleur pour le process (réchauffage du panache), - autres utilisations (séchage de boues), …

Prix de vente du MWh chaleur

Compris entre 8 et 29 € HT/MWh, le prix moyen de la chaleur vendue à un réseau de chaleur est estimé à 17,35 € HT/MWh tandis que la chaleur vendue à un industriel oscille entre 9,7 et 24 € HT/MWh avec une moyenne à 14,65 € HT/MWh. (Source AMORCE Série technique RCT 22 avril/2007)

Principes contractuels

- Les prix de vente aux réseaux de chaleur

Les prix de vente de la chaleur issue des usines sont considérés soit départ usine (l’investissement et l’exploitation de la liaison UVE / réseau de chaleur étant à la charge de l’exploitant du réseau) soit livré en chaufferie centrale du réseau de chaleur (l’investissement et l’exploitation du réseau de liaison étant alors à la charge de l’exploitant de l’UVE).

Il est difficile de donner un prix objectif argumenté pour la vente de chaleur. Il est à considérer en fonction de deux critères :

- d’un côté le prix maximum que peut admettre de payer le réseau de chaleur (qui se situe entre le prix de son énergie la moins chère et son prix moyen départ chaufferie centrale),

- de l’autre côté, le prix de vente minimum que peut accepter l’UVE, fonction des coûts engendrés par les équipements de récupération de la chaleur et, pour les centrales de cogénération, des éventuelles pertes de production d’électricité pouvant être liées à la valorisation thermique (dans les cas de soutirage par exemple).

La détermination du prix de vente de la chaleur s’avère être un positionnement très politique, potentiellement source d’une tension particulière entre les deux parties prenantes.

A noter que deux réseaux de chaleur (Lyon et Rennes) ont des tarifs de vente de la chaleur avec un double barème, proposant une décote au-delà d’un certain niveau de consommation.

(Source AMORCE Série technique RCT 22 avril/2007)

- La durée des contrats

Les principes contractuels constatés pour la valorisation thermique de 5 UVE (Besançon, Blois, Chambéry, Lyon, Rennes) sur des réseaux de chaleur urbain sont les suivants : les cinq contrats observés ont des durées calées sur le contrat de gestion du réseau de chaleur. Ces contrats varient de 10 à 15 ans.

Dans certains cas, des clauses prévoient une révision des contrats par exemple en cas de dérive du prix de vente du fait des formules d’indexation. Pour le réseau de Besançon sont ainsi définies des « clauses de rencontre » dans plusieurs cas :

- modification de plus de 10% de la puissance raccordée sur le réseau de chaleur (par rapport à la puissance raccordée au moment de la signature du contrat),

- évolution de la capacité de traitement des équipements de l’usine d’incinération, - modification du panel des énergies consommées par le réseau de chaleur,

- constat que, sur deux exercices de suite, les prix de la vapeur subissent une variation supérieure à 10%

en plus ou en moins.

Ces clauses seront très probablement activées sur la durée de vie du contrat.

(Source AMORCE Série technique RCT 22 avril/2007)

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