Usages industriels du gaz naturel
Usages du gaz naturel dans les activités industrielles
L’industrie consomme environ 17 % de de l’énergie finale en France. Le gaz naturel représente plus de 40 % de la consommation énergétique de l’industrie, principalement dans les secteurs de la chimie, de l’agro-alimentaire, de la métallurgie, du papier carton, du verre, des céramiques (tuiles et briques, porcelaine)…
Les bénéfices du gaz naturel sont nombreux pour les industriels :
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Sécurité d’approvisionnement : Le gaz est livré sur les sites industriels par canalisations enterrées, bien à l’abri des aléas climatiques. Il arrive sur le territoire français en provenance de nombreux pays producteurs, par méthaniers (sous forme liquéfiée) ou par gazoducs, et même il commence à être produit sur le territoire à partir de déchets de l’agriculture ou des industries agroalimentaires (biométhane). Il est stocké dans des réservoirs souterrains en été pour permettre de couvrir les besoins importants en hiver et lors des pointes.
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Simplicité d’utilisation : Les installations sont aisément automatisables et leur démarrage est simple et rapide. Le gaz arrivant sous pression, il alimente sans difficulté l’ensemble des installations du site. L’entretien des installations est réduit, sans besoin de ramonage.
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Grande variété d’utilisations : Le gaz naturel peut alimenter des installations de quelques kW à plusieurs dizaines de MW, fonctionnant de 20°C à 1600°C, pour cuire, fondre, chauffer, couper, dépolluer, sécher, déshydrater, stériliser, produire de l’électricité, de l’eau chaude, de la vapeur, de l’air chaud…
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Efficacité énergétique : Sa combustion ne générant quasiment pas de polluant, la récupération de chaleur sur les fumées peut être optimisée pour atteindre des rendements supérieurs à 95 % avec des investissements modérés.
L’industrie papetière
L’industrie du verre
Cette industrie comprend plusieurs secteurs : verre plat, verre creux, fibres de verre, verres spéciaux, cristal… pour lesquels le procédé de fabrication est toujours sensiblement le même du moins pour la partie élaboration du verre. Des différences apparaissent suivant le type de produits fabriqués : plaque de verre, bouteilles et bocaux, flacons, fibres…
Le verre est composé de matières premières abondantes et naturelles, principalement du sable ainsi que des produits ajoutés pour diminuer la température de fusion et quelques additifs (coloration…). Pour produire du cristal, il faut ajouter du plomb à ces ingrédients
A ce mélange est ajouté du calcin, verre brisé provenant des déchets de fabrication, de la collecte sélective des déchets. L'utilisation du calcin permet une valorisation des déchets ainsi que des économies d'énergie et de matières premières.
La fabrication du verre consiste à faire fondre ces produits en les portant à très haute température puis à le mettre en forme au cours du refroidissement contrôlé.
Ces matières premières sont introduites dans le four de fusion. Suivant le type de verre, la température dans le four varie de 1300 à 1500°C.
Généralement l’énergie de fusion est fournie par le gaz naturel. Un complément électrique ou fioul lourd est parfois utilisé dans des cas spécifiques (verre foncé…). Le four de fusion représente environ 80 % de l’énergie consommée dans une verrerie.
Le verre fondu passe ensuite dans des zones d’affinage et d’homogénéisation maintenues toujours à haute température par des brûleurs gaz naturel puis, après mise en forme, dans des tunnels de recuisson également appelée arches pour supprimer les points de tension qui peuvent être apparus lors du refroidissement. Dans ces tunnels, l’objet en verre est monté à une température d’environ 400-600°C, avant de se refroidir lentement.
L’industrie des tuiles et briques
Le principal matériau entrant dans la composition des tuiles et des briques est l’argile, c’est pour cela que les usines sont situées à proximité immédiate des carrières.
L’argile, une fois extraite, est broyée, mélangée afin d’obtenir un matériau homogène. Cette poudre est ensuite humidifiée afin de pouvoir être mise en forme par pressage ou extrusion pour produire des tuiles ou des briques de formes diverses. Ces pièces peuvent éventuellement être couvertes de pigments minéraux afin de leur donner une couleur spécifique.
Elles sont ensuite séchées (généralement entre 24 à 48 h) à une température et une humidité contrôlée pour éviter qu’elles ne se craquellent.
Les produits secs sont empilés sur des wagonnets qui se déplacent progressivement dans le four tunnel chauffé au gaz pour y être cuits. Dans ce four d’une longueur pouvant dépasser une centaine de mètres, la température monte progressivement jusqu’à un niveau pouvant atteindre 1100°C. La durée complète de la cuisson peut avoisiner une vingtaine d’heures.
Les pièces cuites sont refroidies progressivement (toujours dans le four) puis contrôlées avant d’être emballées sur des palettes pour leur expédition.
La chimie
L’industrie de la chimie est un secteur industriel qui fabrique différents produits à l’aide de réactions chimiques multiples. Elle regroupe la pétrochimie, la fabrication de polymères, la fabrication de médicaments, …
Suivant le produit fabriqué, le processus suivi sera très différent mais les principes restent toujours les mêmes.
Les réactifs (parfois le gaz naturel) introduits dans les réacteurs sont en premier lieu épurés afin d’enlever toutes les molécules indésirables. Cela se fait généralement à l’aide de catalyseurs dans des conditions de température et de pression bien définies.
Le chauffage peut se faire dans des fours, au moyen d’échangeurs chauffés à la vapeur….
Les réactions ont lieu soit de façon continue soit discontinue dans des réacteurs. La maîtrise de la température est souvent primordiale car elle détermine les équilibres de réactions et les produits fabriqués. Souvent, dans les réacteurs batch, le mélange est brutalement refroidi afin de « figer » la composition obtenue.
Afin de séparer les produits obtenus, des opérations de distillation peuvent être entreprises (chauffage et refroidissement).
Certains produits ont besoin d’être séchés. Cette opération est réalisée grâce à de l’air chauffé dans différents types de sécheurs (tour d’atomisation, sécheur tunnel, tour de séchage, …) suivant l’état du produit : liquide ou solide.
Industrie Agro-Alimentaire : le sucre
L’industrie agro-alimentaire est constituée de nombreux sous-secteurs, avec trois secteurs majoritaires : sucre, lait et produits amylacés (amidon de différentes origines) qui à eux seuls 3 représentent 59% des 30 TWh de gaz consommés dans ce secteur. Les autres parties de l’agroalimentaire sont plus éclatées (boulangerie, biscuiteries, nourritures animales, alcools et spiritueux, abattoirs...)
Le focus porte sur la production du sucre à partir de betterave à sucre sur le territoire métropolitain. Il faut savoir que la plus grande production de sucre se fait à partir de canne à sucre. Les étapes sont similaires dans les deux cas à l’exception de l’étape initiale qui se fait par broyage pour la canne et par diffusion pour la betterave.
Ces sites ont un fonctionnement saisonnier. Le début de la campagne dépend du rendement de production des betteraves et de leur arrivée à maturité. Généralement elle s’étend de mi-septembre à mi-janvier.
Les principales étapes consommant de la chaleur sont le chauffage des liquides, le séchage et concentration-évaporation. Le vecteur énergétique utilisée est la vapeur. Ainsi 85% de l’énergie utilisée dans une sucrerie vient des chaudières pour ces différentes étapes.
Cette industrie comprend plusieurs secteurs : papier d’emballage, carton, papier graphique, papier domestique et sanitaire… pour lesquels le procédé de fabrication est toujours sensiblement le même.
La pâte à papier est soit produite sur site à partir de bois ou de papier recyclé soit achetée à des usines spécialisées dans la fabrication de pâte.
Cette pâte composée essentiellement de fibre de cellulose est mise en solution liquide afin de pouvoir l’homogénéiser.
La fabrication du papier consiste à fabriquer la feuille et à la sécher.
La pâte est d’abord déposée en couche mince sur une toile percée sur laquelle elle s’égoutte, puis la feuille en formation passe entre 2 cylindres qui la pressent pour extraire de l’eau par énergie mécanique. Ensuite la feuille passe dans la partie séchage de la machine à papier. Cette partie est généralement constituée d’un ensemble de cylindres sécheurs (chauffés intérieurement par de la vapeur d’eau). Le séchage est éventuellement complété au moyen d’air chaud ou d’infrarouge.
Remarque : dans cette industrie, les usages du gaz naturel sont concentrés sur cette zone de séchage (production de vapeur, d’air chaud ou d’Infra rouge) qui représentent les ¾ de la consommation de gaz du site.
Une fois séchée, la feuille de papier passe dans la partie finition (calandre) pour lui donner son aspect final, (brillant, satiné, …) puis elle est découpée et enroulée en bobine.
Chaudières
Cogénération
On appelle cogénération la production simultanée de chaleur et d’énergie électrique. Le cas le plus fréquent est la production par des moteurs thermiques ou des turbines à gaz.
Le principe est le suivant : les fumées issues de la combustion du gaz servent à faire tourner l’alternateur qui produit l’électricité. Ensuite ces fumées, à l’aide d’un échangeur, produisent de l’eau chaude qui peut être utilisée pour le chauffage des bâtiments ou pour le process industriel.
La cogénération présente un avantage indéniable : elle consomme de 15 % à 30 % d’énergie en moins que les meilleures techniques disponibles prises séparément pour produire les mêmes quantités de chaleur et d’électricité : une chaudière à condensation gaz pour l’eau chaude et une centrale à cycle combiné gaz pour l’électricité.
Ces installations se retrouvent sur les sites qui ont des besoins de chaleur (eau chaude ou vapeur) toute l’année : papeterie, serriste, chimie, laiterie…
Moteurs à gaz :
Le principe de ces moteurs est le même que celui des moteurs de nos voitures. Le gaz est utilisé comme carburant. La combustion du gaz dans les cylindres, fait tourner le vilebrequin entrainant l’alternateur qui produit l’électricité.
La récupération de chaleur se fait à 2 niveaux (à part à peu près égale) : d’une part sur le circuit de refroidissement du moteur (température d’environ 90-95°C) et d’autre part sur les fumées (température d’environ 450°C). Cette chaleur est utilisée pour produire de l’eau chaude voire de la vapeur.
Pour une consommation de 100 kW, un moteur fournit entre 35 et 45 kWe d’électricité et entre 45 et 55 kWth de chaleur, soit un rendement global proche de 90 %.
Les moteurs à gaz ont des puissances électriques d’une centaine de kW à près de 5 MW.
Turbines à gaz :
Le principe de ces moteurs est le même que celui des réacteurs d’avion.
Une turbine à gaz est constituée de 3 parties successives : tout d’abord un compresseur rotatif qui aspire l’air et le comprime, puis la chambre de combustion dans laquelle le gaz est injecté et brûlé et enfin la turbine proprement dite qui est mise en rotation par les gaz chauds et sous pression issus de la combustion.
L’énergie mécanique fournie par la turbine met en rotation l’arbre entrainant le compresseur d’air et l’alternateur produisant l’électricité.
Les gaz d'échappement chauds (plus de 500 °C) sont généralement utilisés pour produire de la vapeur dans une chaudière de récupération.
Pour une consommation de 100 kW, une turbine fournit entre 30 et 35 kWe d’électricité et entre 50 et 60 kWth de chaleur, soit un rendement global proche de 90 %.
Les turbines à gaz ont des puissances électriques de quelques MW à près de 600 MW. Celles que l’on rencontre dans les cogénérations sur les sites industriels ont généralement une puissance comprise entre 5 et 100 MWe.
La consommation de gaz naturel sous chaudière représente environ 50 % de la consommation totale de l’industrie (hors production d’électricité et matière première).
Les chaudières sont présentes dans quasiment tous les secteurs d’activité, dès qu’il y a un besoin de vapeur ou d’eau chaude : papeterie, chimie, pharmacie, agro-alimentaire, textile, blanchisserie, production d’électricité, ….
En fonction du secteur, le fluide caloporteur pourra être différent (eau, vapeur, huile thermique) et donc la chaudière également.
Une chaudière est un appareil permettant de produire en continu de l'eau chaude, de la vapeur d'eau, de l'eau surchauffée, ou modifiant la température d'un fluide thermique grâce à la chaleur libérée par la combustion.
Il existe 3 familles de chaudières : les chaudières à tubes de fumées, les plus fréquentes, les chaudières à tubes d’eau et les chaudières à serpentin.
Chaudières à tubes de fumées : C’est la chaudière la plus fréquente chez les industriels. Les fumées en sortie de chambre de combustion passent dans des tubes noyés dans l’eau avant de quitter la chaudière pour être extraite par la cheminée.
Ce type de chaudière peut tout aussi bien produire de la vapeur (jusqu’à 25 bar) ou de l’eau chaude.
Sa gamme de puissance est très étendue : de 1 à 35 MW et ses performances sont remarquables, le rendement peut atteindre près de 100 % (sur PCI) voire plus en ajoutant de la récupération de chaleur (économiseur et condenseur)
Chaudières à tubes d’eau : C’est une chaudière fréquente chez les industriels. La chambre de combustion est couverte de tubes dans lesquels circulent l’eau.
Cette conception permet de fabriquer des installations capables d’atteindre des pressions très élevées (jusqu’à 170 bar) ainsi que des puissances importantes de près de 300 MW.
Du fait de leurs dimensions ces chaudières sont généralement chauffées par plusieurs brûleurs.
Le rendement de tels équipements est légèrement inférieur à celui des chaudières précédentes tout en étant de l’ordre de 95 %
Chaudières à serpentin : Ces chaudières sont plus rares et utilisées pour des besoins spécifiques :
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Température élevée de près de 300°C sans pression élevée en utilisant de l’huile thermique,
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Besoin de vapeur avec des variations de charge importantes.
Ce sont généralement des générateurs de petite puissance (inférieure à 10 MW) mais pouvant atteindre des pressions jusqu’à 100 bar.
Le rendement standard de ce type d’équipement est d’environ 90 % et peut atteindre 95 % avec l’ajout d’un économiseur (récupérateur de chaleur installé sur les fumées juste avant la cheminée).