À l'extérieur de presque toutes les usines d'huile de palme brute (CPO) de Kalimantan ou de toutes les sucreries de Thaïlande se trouve une montagne de biomasse disponible comme combustible : fibres de pressage de palme, coques de noyaux de palme (PKS) ou bagasse de canne à sucre. Pourtant, à l'intérieur de la centrale électrique voisine, un ou deux générateurs diesel de 800 kVA fonctionnent souvent 24 heures sur 24 en parallèle avec le turbo-alternateur à vapeur, consommant plus d'un millier de litres de diesel par équipe.
Les usines alimentées à la biomasse utilisent du diesel car les chaudières à tubes d'eau fonctionnant à la biomasse et les turbines à vapeur à contre-pression (BPST) réagissent lentement aux variations de charge, alors que les machines de broyage lourdes génèrent des pics de consommation électrique brusques et importants. Lorsqu’un lot de bagasse humide ou de fibres fait chuter la pression dans le collecteur de la chaudière, ou lorsque les broyeurs de canne à sucre et les presses à double vis rencontrent une charge dense, le régulateur de la turbine à vapeur ne peut pas s’ouvrir assez rapidement pour maintenir la fréquence du réseau. Sans générateur diesel synchronisé servant de réserve tournante, la fréquence chute en dessous de 47,5 Hz et le relais de protection contre la sous-fréquence (ANSI 81U) déclenche la mise hors service de la centrale.
Associer un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) intégré au réseau Le turbo-alternateur à vapeur remplace la consommation du groupe diesel de réserve tournante. Fonctionnant en parallèle sur le jeu de barres de la centrale, le système BESS injecte de la puissance active et réactive en quelques millisecondes pour absorber les chocs mécaniques, compenser les baisses de pression de vapeur de la chaudière pendant 15 à 30 minutes et fournir une alimentation de démarrage autonome, sans diesel, pour les ventilateurs de tirage de la chaudière et les pompes d'alimentation en eau.
Points clés
- Remplacer la réserve de rotation diesel disponible 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 : Un système BESS absorbe les pics instantanés de charge provenant du broyeur de canne à sucre et du pressoir à vis, ce qui permet aux usines de mettre hors service les groupes électrogènes diesel parallèles qui, sans cela, fonctionneraient toute la journée à une charge de 15 à 20 %.
- Prévenir les coupures de courant dues à une sous-fréquence conformes à la norme ANSI 81U : Fréquence-watt rapide (f-P) Cette réponse maintient la tension du bus à 50 Hz ou 60 Hz tandis que les régulateurs mécaniques-hydrauliques à action lente ou les régulateurs à vapeur Woodward ajustent la position des vannes.
- Chutes de pression dans les chaudières à combustible liquide de type « Bridge » : Conçue pour offrir une capacité de réserve de 15 à 30 minutes, la batterie prend en charge une partie de la charge de l'usine lorsque les pics liés à la bagasse humide ou à la vapeur du stérilisateur font baisser la pression dans le collecteur de la chaudière.
- Démarrage à froid d'une chaudière sans diesel : Le système photovoltaïque installé sur le toit, associé à un dispositif de stockage, alimente les ventilateurs à tirage induit (ID), les ventilateurs à tirage forcé (FD) et les pompes d'alimentation en eau pendant les mises en service de maintenance du dimanche et pendant la saison de non-broyage, qui dure six mois.
- Monétiser les PKS stockés et réduire l'intensité carbone de l'huile de palme : Le fonctionnement de la chaudière à un niveau thermique de base constant permet de réduire les purges de vapeur, ce qui libère les coques de palmiste excédentaires (valeur à l'exportation comprise entre 80 et 130 dollars la tonne) et de diminuer les émissions de GES dans le cadre des audits RSPO et ISCC UE.
Le décalage thermodynamique : pourquoi les turbines à vapeur alimentées par la biomasse peinent à fonctionner seules
Baisses de pression dans la bagasse humide, la fibre de palmier et la collectrice de la chaudière
La bagasse de canne à sucre entre dans le foyer de la chaudière avec une teneur en humidité comprise entre 48 et 52 % environ, tandis que celle des fibres du mésocarpe de palmier varie en fonction des performances de la presse. Lorsqu'un bloc de combustible à forte teneur en humidité atterrit sur la grille, la température du foyer chute et la production de vapeur est retardée. La pression dans la collectrice de vapeur principale peut passer de 25 bars à 18 bars en l'espace de quelques minutes.
Dans une usine d'huile de palme, les besoins en vapeur liés aux opérations de production aggravent encore cette situation. Les turbines à vapeur à contre-pression rejettent de la vapeur à basse pression (généralement entre 3 et 3,5 bars) dans un réservoir de contre-pression qui alimente le Stérilisateurs pour grappes de fruits frais (FFB) et les cuves de digestion. Chaque fois que les opérateurs ouvrent les vannes d'admission d'un stérilisateur horizontal ou vertical de 40 tonnes, le débit de vapeur et la contre-pression du réservoir varient brusquement, ce qui réduit la chute d'enthalpie au niveau des étages de la turbine et diminue la puissance mécanique transmise à l'arbre, précisément au moment où l'usine a besoin d'énergie.
Charges d'impact au niveau du plancher du moulin et temps de réponse du régulateur à vapeur
Sur le plan électrique, les usines agro-industrielles sont soumises à certaines des charges mécaniques les plus exigeantes de l'industrie lourde :
- Sucreries : Les couteaux à canne à usage intensif, les broyeurs/déchiqueteurs et les tandems de broyage à six rouleaux subissent des pics de courant de 200 à 300 %, d'une durée de 5 à 15 secondes, chaque fois qu'un amas dense de canne heurte les marteaux.
- Usines d'huile de palme : Les presses à fruits à double vis, les digesteurs, les concasseurs de noix et les broyeurs de grappes de fruits vides (EFB) génèrent des pics importants de puissance active (kW) et de puissance réactive (kvar) à mesure que la pression hydraulique du cône s'ajuste en fonction de la résistance du tourteau fibreux.
Un régulateur de turbine à vapeur, qu’il soit mécano-hydraulique ou électronique, met plusieurs secondes à moduler son papillon, et une chaudière à biomasse à grille met plusieurs minutes à établir la pression de vapeur. Au cours des deux premières secondes d’un pic de charge du broyeur, la demande électrique dépasse le couple mécanique de la turbine. La vitesse du rotor ralentit, la fréquence du bus chute en dessous de 47,5 Hz, et le relais 81U déclenche le disjoncteur du générateur afin de protéger les aubes de la turbine. Un seul déclenchement interrompt les cycles de l’autoclave, provoque la fermentation du jus de canne chaud dans les clarificateurs, et nécessite une à deux heures pour être résolu et permettre le redémarrage.
Suppression des réserves de rotation fonctionnant au diesel dans les usines d'huile de palme et de sucre
Coût d'exploitation des groupes électrogènes diesel à une charge de 15 à 20 %
Pour éviter les déclenchements dus à une sous-fréquence, les chefs mécaniciens maintiennent généralement un ou deux groupes électrogènes diesel d’une puissance comprise entre 500 kVA et 1 000 kVA synchronisés avec la turbine à vapeur de 2 à 5 MW. La turbine à vapeur assumant la majeure partie de la charge moyenne, les moteurs diesel fonctionnent à un taux d'utilisation de 15 à 20 % pendant plus de 20 heures par jour, en attente de pics de charge.
L'utilisation d'un gros moteur diesel à une charge inférieure à 30 % entraîne deux inconvénients :
- 1. Consommation spécifique élevée : Consommer entre 1 000 et 1 800 litres de gazole par jour uniquement pour garantir une marge de manœuvre suffisante.
- 2. Accumulation chronique de résidus humides : Des températures de cylindres trop basses entraînent la présence de carburant imbrûlé et de suie dans le collecteur d'échappement, ce qui provoque le vitrification des chemises de cylindres, l'encrassement des injecteurs, la dilution de l'huile de graissage et oblige à procéder à une révision de la partie supérieure du moteur toutes les 2 500 à 3 500 heures.
Comment un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) fait office de volant d'inertie électronique
Un système BESS raccordé au tableau électrique principal basse tension de 400 V (ou relié au bus moyenne tension de 6,6 kV / 11 kV via un transformateur élévateur) remplace les groupes électrogènes diesel en fonctionnement grâce à deux niveaux de commande coordonnés :
- Prise en charge des surtensions de l'ordre de la milliseconde et des charges réactives : Lorsqu'un broyeur ou une presse à vis subit un pic de courant soudain, le système MegSolid PCS modulaire 80–125 kW ou 261 kWh / 125 kVA, refroidi par liquide, C&I : l'armoire réagit en moins de 20 millisecondes. L'onduleur injecte de la puissance active pour enrayer la chute de fréquence (df/dt) et fournit une puissance réactive active (facteur de puissance réglable de −1 à +1) afin que le courant d'appel du moteur à induction ne fasse pas chuter la tension aux bornes de l'alternateur.
- Pontage de la cuve de la chaudière pendant 15 à 30 minutes : Lorsque la bagasse humide ou un cycle de stérilisation fait chuter la pression dans le collecteur de la chaudière de 25 bars à 18 bars, le système de gestion de l'énergie (EMS) fournit une puissance continue en kW à partir de la batterie pendant 15 à 30 minutes, empêchant ainsi la turbine de caler au niveau de sa chambre à vapeur pendant que les alimentateurs rétablissent la chaleur du foyer.
Jusqu'à 10 Armoires Energon 261 kWh / 125 kVA fonctionnent en parallèle pour former un bloc de 1,25 MVA / 2,6 MWh, tandis que les usines de plus grande taille peuvent déployer des systèmes conteneurisés issus de la gamme de systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) de MegSolid, dont la capacité varie de 55 kWh à 5 MWh.
Alimentation électrique hors saison et démarrage à froid d'une chaudière sans diesel
Le dilemme du démarrage à froid des chaudières à biomasse
Une turbine à vapeur ne peut produire le moindre watt tant que la chaudière n’a pas été allumée, amenée à la pression de service et surchauffée. L’allumage d’une chaudière à biomasse à froid nécessite une puissance électrique continue comprise entre 150 kW et 400 kW pendant 2 à 4 heures pour faire fonctionner :
- Ventilateurs à tirage induit (ID) et à tirage forcé (FD) ;
- Ventilateurs d'air secondaire et de répartition du carburant ;
- Pompes d'alimentation de chaudière multietages à haute pression ;
- Station de traitement des eaux, convoyeurs de combustible et grilles de chaudière.
Dans les usines d'huile de palme qui ferment tous les dimanches pour entretien, ainsi que dans les sucreries qui interrompent le broyage pendant 5 à 6 mois en hors-saison, on laisse traditionnellement tourner des générateurs diesel pour alimenter les ateliers, les bureaux, les logements du personnel et les démarrages des chaudières à froid.
Énergie solaire + système de stockage d'énergie (BESS) pour l'autonomie hors saison et le redémarrage autonome
L'installation de panneaux solaires photovoltaïques sur les toits de l'entrepôt de la râperie et de l'installation de concassage des amandes, associée au système de stockage d'énergie par batterie (BESS), permet d'éliminer la consommation de diesel hors saison. En dehors des périodes de broyage, le BESS fonctionne en mode « îlot » avec formation de réseau, alimentant en énergie solaire, jour et nuit, les logements du domaine, la station de traitement des eaux et les ateliers d'entretien. Lorsque le broyage reprend, les opérateurs effectuent un démarrage autonome des ventilateurs ID/FD de la chaudière et des pompes d’alimentation en eau directement à partir du parc de batteries, synchroniser la turbine à vapeur dès que la pression dans le collecteur atteint la valeur de consigne, puis passer en douceur au mode de cogénération normal.
Préserver les coques de palmiste (PKS) et la bagasse pour générer des recettes d'exportation
En Indonésie, en Malaisie et en Thaïlande, Coques de noyaux de palmiste (PKS) et bagasse en balles sont des matières premières commercialisées plutôt que des déchets. Les acheteurs industriels et les producteurs d'électricité à partir de biomasse au Japon et en Europe achètent du PKS à De 80 à 130 dollars par tonne métrique FOB, tandis que les sucreries ayant conclu des contrats d'achat d'électricité (PPA) revendent à le réseau l'électricité produite en cogénération à partir de la bagasse excédentaire.
Lorsqu’une turbine à vapeur doit faire face à de fortes variations de charge mécanique sans le soutien d’une batterie tampon, sa consommation spécifique de vapeur (kg de vapeur par kWh) se détériore et les soupapes de surpression évacuent fréquemment de la vapeur vive dans l’atmosphère. La mise en place d’un système de stockage d’énergie par batterie (BESS) pour stabiliser le bus électrique permet de lisser la charge sur le turbo-alternateur. Le fait de faire fonctionner la chaudière à un taux de combustion constant améliore le rendement thermique, ce qui permet généralement d’économiser entre 2 000 et 3 500 tonnes de PKS ou de bagasse par an dans une usine de taille moyenne — un combustible qui peut être vendu directement à des négociants à l’exportation ou brûlé hors saison pour générer des revenus grâce à l’injection dans le réseau.
Conçu pour l'usine tropicale : brouillard d'huile de palme, cendres de bagacillo et 90 % d'humidité
Les grands sites agro-industriels constituent des environnements difficiles pour l'électronique de puissance. L'air ambiant autour d'une usine d'huile de palme ou d'une sucrerie contient des aérosols d'huile de palme collants, ainsi que de fines cendres de bagasse en suspension dans l'air (bagacillo), une humidité relative élevée (jusqu'à 95 % HR) et des condensats de vapeur légèrement acides provenant des purges des stérilisateurs.
Les baies de batteries à ventilation forcée standard aspirent les brouillards d'huile et les fibres de bagacillo à travers leurs filtres d'admission et les déposent sur les dissipateurs thermiques des onduleurs et les barres omnibus haute tension. Sur une période de 12 à 24 mois, la poussière imprégnée d'huile forme des chemins conducteurs qui provoquent des arcs électriques dans l'isolation et des pannes de ventilateurs.
Pour éviter toute contamination, l'armoire à refroidissement liquide Energon 261 kWh de MegSolid isole ses cellules LFP à l'intérieur d'un IP54 Armoire refroidie par un circuit interne de liquide étanche, conçue pour des températures ambiantes allant jusqu’à 55 °C (déclassement au-delà de 45 °C) et une humidité relative de 5 à 95 % sans condensation. L’air comprimé de l’atelier n’entre jamais en contact avec les modules de batterie. Pour les sites côtiers ou les emplacements corrosifs situés à proximité de stérilisateurs, les armoires peuvent être commandées conformes à la norme ISO 12944 Revêtement anticorrosion C4 ou C5 grâce au service de personnalisation OEM/ODM de MegSolid. Chaque armoire intègre un système d'extinction au gaz Novec 1230, un système de détection multicapteurs et un système de protection incendie à base d'eau, ainsi que les solutions de MegSolid technologie des batteries hybrides à l’état solide.
Retour sur investissement d'une usine de production d'huile de palme et de sucre : exemple illustratif d'une installation de 1 MW / 2 MWh
Vous trouverez ci-dessous un modèle financier à titre d'exemple pour un Usine d'huile de palme d'une capacité de 60 TPH (tonnes de FFB par heure) ou un Sucrière d'une capacité de 4 000 à 5 000 TCD (tonnes de canne par jour) mise en place d'un Système de stockage d'énergie par batterie (BESS) de 1 MW / 2 MWh à refroidissement par liquide (8 × Armoires Energon 261 kWh / 125 kVA (en parallèle) afin de remplacer deux groupes électrogènes diesel de réserve de rotation de 800 kVA :
| Économies / Source de revenus | Base opérationnelle | Valeur annuelle indicative |
|---|---|---|
| 1. Suppression de la réserve de rotation parallèle au diesel | L'arrêt des groupes électrogènes diesel fonctionnant 24 h/24 et 7 j/7 à faible charge permet d'économiser environ 300 000 à 450 000 litres de diesel par an (1,00 à 1,25 $/litre livré) et d'éviter des révisions de moteur toutes les 3 000 heures. | 320 000 $ – 520 000 $ / an |
| 2. Ventes des excédents de PKS / bagasse | La stabilisation de la demande en vapeur des chaudières permet d'économiser environ 2 000 à 3 000 tonnes par an de PKS (80 à 110 dollars la tonne) ou l'équivalent en exportations de bagasse. | 150 000 $ – 250 000 $ / an |
| 3. Éviter les interruptions de service liées à la panne de l'81U | Prévention des déclenchements dus à une fréquence insuffisante, des retards dans les lots de stérilisation et des pertes liées à la fermentation du jus | 50 000 $ – 90 000 $ / an |
| Durée de récupération simple estimée | Sur la base du coût type d'une intégration clé en main « BESS + EMS » | environ 1,8 à 2,8 ans |
Les chiffres sont donnés à titre indicatif ; les économies réelles dépendent du nombre d'heures de broyage annuelles, des prix locaux du diesel (y compris les niveaux de subventions en Malaisie et en Indonésie), de l'état de la chaudière et des contrats d'exportation des PKS.
Conclusion : Arrêtez de brûler du diesel à côté d'une montagne de biomasse
Une chaudière à biomasse et une turbine à vapeur à contre-pression fournissent de l’énergie thermique et de l’électricité de base à faible coût, mais elles n’ont jamais été conçues pour répondre seules aux transitoires de quelques millisecondes générés par le broyeur et la presse. L'ajout d'un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) à refroidissement liquide apporte à la centrale la réactivité électrique qui lui fait défaut, ce qui permet d'arrêter les générateurs diesel de réserve tournante, d'éviter les coupures de courant dues à une sous-fréquence et de vendre davantage d'excédents de PKS ou de bagasse.
Prêts à mettre hors service vos groupes électrogènes diesel en parallèle ? Contactez l'équipe d'ingénierie de MegSolid avec les caractéristiques de votre turbine à vapeur, les registres de consommation de carburant du groupe électrogène diesel et le schéma unifilaire de la centrale électrique pour un évaluation gratuite de la cylindrée d'un moteur diesel de broyeur. Dans les 24 heures, nous vous ferons parvenir une recommandation concernant le dimensionnement du BESS, un concept d'intégration de la courbe de régulation du régulateur de vitesse ainsi que les fiches techniques de nos systèmes de stockage d'énergie à semi-conducteurs.