Serres de séchage et valorisation des boues de stations d'épuration

  • Année de livraison : 2017
  • Impact CO2 : Gain de 2.100 tonnes de CO2/an

  • Energies Vertes : Solaire thermique, Geothermique, Biogaz, Récupération d'energies fatales, Efficacité énergétique
  • Services Numériques : Eau, Déchets
  • Cycle de l'eau : Forage, Recyclage eaux usées
  • Economie Circulaire & Déchets : Ecologie Industrielle, Economie de ressources

  • 6 000 000 €
  • Constructeur
    4 entreprises : Persyn, Deforges, Druart et Munters
  • Gestionnaire / Concessionnaire
    IDEA - SPGE

Outil de séchage solaire et géothermique des boues de la station d'épuration de Wasmuël et de production d'énergie thermique et électrique

 

INTRODUCTION

 La protection des ressources naturelles et la gestion des coûts constituent de véritables défis environnementaux et financiers pour le secteur de l'eau wallon. En particulier, la gestion des boues issues de l'activité d'épuration représente, d'une part, une charge financière annuelle importante, de l'ordre de 15% du bilan annuel d'exploitation et, d'autre part, une source d'énergie potentielle conséquente. La consommation d'énergie, sous toutes ses formes, représente quant à elle 20% du bilan financier annuel d'exploitation.

IDEA (Intercommunale de Développement Economique et d'Aménagement du Cœur du Hainaut) assure, pour le compte de la SPGE, la gestion d'une trentaine de stations d'épuration en province du Hainaut qui produisent annuellement de l'ordre de 20000 tMB de boues. L'assainissement des eaux usées en Wallonie est financé par la SPGE (Société Publique de Gestion de l'Eau) sur base d'un Coût Vérité Assainissement (CVA) prélevé sur chaque m³ d'eau de distribution consommée.

 

Sur base de ces constats et de la distribution des coûts du séchage thermique des boues dans laquelle l'énergie représente plus de 50% du coût global, le séchage des boues par l'utilisation d'une énergie fatale, résiduelle à faible coût, voir à coût nul, peut s'avérer un paramètre important pour la réduction du coût du traitement, d'évacuation et d'émission de CO2. Le recours à la valorisation énergétique en aval du séchage peut également constituer une filière probante qui s'inscrit dans la démarche de l'économie circulaire et vise à innover dans le domaine de la valorisation des boues de station d'épuration tout en contribuant à l'autosuffisance de la station d'épuration du point de vue énergétique.

 

1. L'ENERGIE GEOTHERMIQUE DANS LA REGION HENNUYERE

 Depuis les années 80, IDEA valorise, au travers de l'exploitation de deux puits situés à Saint-Ghislain et à Baudour, les ressources en eau géothermique (eau souterraine naturellement chaude).

Avec un gradient géothermique de 30°C/km, l'eau géothermique de Saint-Ghislain, puisée à plus de 2500 m de profondeur, a une température en sortie de puits de 72°C. Cette énergie est récupérée pour le chauffage de bâtiments publics (hôpitaux, écoles, logements sociaux, etc.) et d'entreprises, avec un régime de température proche de 70/50°C. L'énergie totale délivrée représente l'équivalent de 20 MWh en énergie géothermique via le chauffage urbain, soit une économie de CO2 estimée à plus de 5500 tonnes par an.

 

2. LES SERRES SOLAIRES ET GEOTHERMIQUES

 L'adéquation entre l'eau géothermique résiduelle à une température de 50°C et le besoin d'une énergie à faible coût permet de développer sur le site de la station de Wasmuël un process de séchage en cascade des émetteurs (chauffage sol, batteries internes, batteries d'introduction d'air) dans la serre, à faible coût énergétique avec un régime de température de 50/30°C.

Dans le contexte du séchage des boues de station d'épuration de Wasmuël, l'utilisation d'une énergie résiduelle géothermique à coût nul, permet une rentabilité économique du projet avec des performances accrues liées à l'utilisation de cette énergie. Les objectifs recherchés sont en premier lieu le séchage avec une siccité finale supérieure à 80% ayant pour conséquence une augmentation du PCI d'environ 4 MJ/kg à environ 14 MJ/kg permettant d'autres filières de valorisation. Ce process permettra de réduire d'un facteur 4 le volume des boues et donc le coût de stockage et d'évacuation, il donnera un produit fini sous forme de granulé sec, dur et sans odeur, il augmentera la stabilisation et l'hygiénisation et, enfin, il facilitera leur valorisation énergétique (combustion) et agricole (épandage).

Une étude technico-économique des divers procédés de séchage des boues de station d'épuration a permis la mise en adéquation du type de sécheur et des objectifs recherchés sur la base de l'ensemble des paramètres étudiés (source d'énergie, implantation, tonnage, régime de T°, etc.).Le séchage solaire/géothermique s'est imposé comme la solution la plus adaptée, efficace et rustique dans notre contexte au regard de l'énergie résiduelle faible enthalpie, de l'emprise importante au sol et de la proximité de la source de rejet géothermique. Dans le cadre de cette étude, divers matrices ont été développées, prenant en compte le croisement de paramètres tels que : l'investissement, la consommation, la maintenance, l'exploitation, etc. Ces matrices permettent une évaluation comparative des diverses technologies.

Energétiquement, l'élimination d'une tonne d'eau, par séchage solaire, consomme environ 75 kWh d'électricité contre 80 à 130 kWh lors de l'utilisation des procédés conventionnels de séchage thermique. Cela, en plus de l'énergie de chauffage qui est évaluée à environ 700kWh thermique contre 850 à 1150 kWh pour les procédés conventionnels. L'énergie solaire représente, pour une année météorologique moyenne à Wasmuël, environs 25% de l'énergie nécessaire au séchage.

La SPGE a ainsi décidé, sur proposition d'IDEA, de construire deux modules de serres sur le site de la station d'épuration de Wasmuël, d'une surface utile supérieure à 2000m², en vue de sécher les boues produites par les stations d'épuration gérées par l'Intercommunale. Ces modules seront mis en service au mois de juin 2017.

 

3. LA VALORISATION ENERGETIQUE DES PELLETS DE BOUES SECHEES

 La technologie de gazéification proposée dans ce projet s'inscrit dans une démarche d' "économie circulaire", et vise, au travers des thématiques relatives à l'énergie, à créer un cercle vertueux énergétique avec le process de séchage ainsi qu'une contribution à l'autosuffisance de la station d'épuration de Wasmuël sur le plan énergétique.

Le principe de gazéification est connu : on chauffe un matériau organique à très haute température de 700 à 1000°C, en milieu pauvre en oxygène afin de produire un gaz de synthèse à haut potentiel énergétique, riche en CO, H2 et CH4, ne laissant comme sous-produit que des cendres minérales. Ce gaz de synthèse est, ensuite, lavé pour être injecté dans un moteur thermique, cogénération permettant la production de chaleur et d'électricité.

Une étude économique nous a permis de valider actuellement la technologie de valorisation énergétique par gazéification comparativement à la technologie de biométhanisation.

Fonction de cette étude et des paramètres fournisseurs, nous pouvons démontrer un rendement global énergétique double pour la technologie de gazéification ainsi qu'une auto-indépendance de cette dernière par rapport à la biométhanisation.

L'énergie thermique générée par le process de gazéification couvrira environs 85% des besoins thermiques du séchage des boues ; 15% pourrons provenir, par exemple, de la production d'électricité au travers d'une PAC. Le cycle séchage-gazéification permettra une réduction du volume par un facteur de 10, ne laissant que des résidus inertes. Le coût de valorisation sera quant à lui divisé par 4 (sur base du coût actuel de l'électricité en Wallonie). Il est aussi intéressant de signaler que cette technologie permet une localisation centralisée.

En cas de mise en œuvre de cette deuxième phase du projet, la station d'épuration de Wasmuël sera quasiment autonome sur le plan énergétique. La production de chaleur permettra par ailleurs de sécher des tonnages de boues complémentaires.

 

CONCLUSION

La Wallonie s'est inscrite dans les objectifs de la COP21 (objectif de réduction des GES), ainsi que dans l'objectif 20-20-20 défini par l'Europe. Les serres solaires et géothermiques de Wasmuël et le projet de valorisation énergétique des boues séchées s'inscrivent parfaitement dans cette logique, ainsi que dans le développement de la station du futur, la station « zéro énergie ».

Le projet s'inscrit, par ailleurs, parfaitement dans les objectifs de la SPGE visant à limiter le CVA (Coût-vérité assainissement).

Etat d'avancement

Livré

Fiabilité des Données

Auto-déclaration

Type de Financement

Public

Developpement Durable

    ​La protection des ressources naturelles et la gestion des coûts constituent de véritables défis environnementaux et financiers pour le secteur de l’eau wallon. En particulier, la gestion des boues issues de l’activité d’épuration représente, d’une part, une charge financière annuelle importante, de l’ordre de 15% du bilan annuel d’exploitation et, d’autre part, une source d’énergie potentielle conséquente. La consommation d’énergie, sous toutes ses formes, représente quant à elle 20% du bilan financier annuel d’exploitation.

    Sur base de ces constats et de la distribution des coûts du séchage thermique des boues dans laquelle l’énergie représente plus de 50% du coût global, le séchage des boues par l’utilisation d’une énergie fatale, résiduelle à faible coût, voir à coût nul, peut s’avérer un paramètre important pour la réduction du coût du traitement, d’évacuation et d’émission de CO2. Le recours à la valorisation énergétique en aval du séchage peut également constituer une filière probante qui s’inscrit dans la démarche de l’économie circulaire et vise à innover dans le domaine de la valorisation des boues de station d’épuration tout en contribuant à l’autosuffisance de la station d’épuration du point de vue énergétique.

     

    La Wallonie s’est inscrite dans les objectifs de la COP21 (objectif de réduction des GES), ainsi que dans l’objectif 20-20-20 défini par l’Europe.Les serres solaires et géothermiques de Wasmuël et le projet de valorisation énergétique des boues séchées s’inscrivent parfaitement dans cette logique, ainsi que dans le développement de la station du futur, la station « zéro énergie ».

    Ce projet permet de limiter de manière importante le transport des boues et donc de contribuer au désengorgement des routes régionales, in fine il contribue donc au bien-être des citoyens du Coeur du Hainaut.

    ​Sur base de ces constats et de la distribution des coûts du séchage thermique des boues dans laquelle l'énergie représente plus de 50% du coût global, le séchage des boues par l'utilisation d'une énergie fatale, résiduelle à faible coût, voir à coût nul, peut s'avérer un paramètre important pour la réduction du coût du traitement, d'évacuation et d'émission de CO2. Le recours à la valorisation énergétique en aval du séchage peut également constituer une filière probante qui s'inscrit dans la démarche de l'économie circulaire et vise à innover dans le domaine de la valorisation des boues de station d'épuration tout en contribuant à l'autosuffisance de la station d'épuration du point de vue énergétique. Avec un gradient géothermique de 30°C/km, l'eau géothermique de Saint-Ghislain, puisée à plus de 2500 m de profondeur, a une température en sortie de puits de 72°C. Cette énergie est récupérée pour le chauffage de bâtiments publics (hôpitaux, écoles, logements sociaux, etc.) et d'entreprises, avec un régime de température proche de 70/50°C. L'énergie totale délivrée représente l'équivalent de 20 MWh en énergie géothermique via le chauffage urbain, soit une économie de CO2 estimée à plus de 5500 tonnes par an.

     

    Dans le contexte du séchage des boues de station d'épuration de Wasmuël, l'utilisation d'une énergie résiduelle géothermique à coût nul, permet une rentabilité économique du projet avec des performances accrues liées à l'utilisation de cette énergie. Les objectifs recherchés sont en premier lieu le séchage avec une siccité finale supérieure à 80% ayant pour conséquence une augmentation du PCI d'environ 4 MJ/kg à environ 14 MJ/kg permettant d'autres filières de valorisation. Ce process permettra de réduire d'un facteur 4 le volume des boues et donc le coût de stockage et d'évacuation, il donnera un produit fini sous forme de granulé sec, dur et sans odeur, il augmentera la stabilisation et l'hygiénisation et, enfin, il facilitera leur valorisation énergétique (combustion) et agricole (épandage).

    ​Fonctionnement 100% automatisé et de manière autonome.

    LA VALORISATION ENERGETIQUE DES PELLETS DE BOUES SECHEES

     La technologie de gazéification proposée dans ce projet s'inscrit dans une démarche d' "économie circulaire", et vise, au travers des thématiques relatives à l'énergie, à créer un cercle vertueux énergétique avec le process de séchage ainsi qu'une contribution à l'autosuffisance de la station d'épuration de Wasmuël sur le plan énergétique.

    Le principe de gazéification est connu : on chauffe un matériau organique à très haute température de 700 à 1000°C, en milieu pauvre en oxygène afin de produire un gaz de synthèse à haut potentiel énergétique, riche en CO, H2 et CH4, ne laissant comme sous-produit que des cendres minérales. Ce gaz de synthèse est, ensuite, lavé pour être injecté dans un moteur thermique, cogénération permettant la production de chaleur et d'électricité.

    Une étude économique nous a permis de valider actuellement la technologie de valorisation énergétique par gazéification comparativement à la technologie de biométhanisation.

    Fonction de cette étude et des paramètres fournisseurs, nous pouvons démontrer un rendement global énergétique double pour la technologie de gazéification ainsi qu'une auto-indépendance de cette dernière par rapport à la biométhanisation.

    L'énergie thermique générée par le process de gazéification couvrira environs 85% des besoins thermiques du séchage des boues ; 15% pourrons provenir, par exemple, de la production d'électricité au travers d'une PAC. Le cycle séchage-gazéification permettra une réduction du volume par un facteur de 10, ne laissant que des résidus inertes. Le coût de valorisation sera quant à lui divisé par 4 (sur base du coût actuel de l'électricité en Wallonie). Il est aussi intéressant de signaler que cette technologie permet une localisation centralisée.

Témoignages / Retour d'expérience

    ​This unique and innovative project for solar and geothermal drying of sewage sludge was carried out as part of a partnership between IDEA (Intercommunale, an association of 27 municipalities with an area of over 540,000 inhabitants) and the SPGE (Société Public water management in Wallonia). It is the fruit of a study work initiated in 2008, the work of which was launched in 2015. The greenhouses will be inaugurated next September in the presence of the competent authorities.

Gouvernance

    IDEA - SPGE

    Collectivité Territoriale

    4 entreprises : Persyn, Deforges, Druart et Munters

    Energéticien

    IDEA - SPGE

    Public

    Une étude technico-économique des divers procédés de séchage des boues de station d'épuration a permis la mise en adéquation du type de sécheur et des objectifs recherchés sur la base de l'ensemble des paramètres étudiés (source d'énergie, implantation, tonnage, régime de T°, etc.).Le séchage solaire/géothermique s'est imposé comme la solution la plus adaptée, efficace et rustique dans notre contexte au regard de l'énergie résiduelle faible enthalpie, de l'emprise importante au sol et de la proximité de la source de rejet géothermique. Dans le cadre de cette étude, divers matrices ont été développées, prenant en compte le croisement de paramètres tels que : l'investissement, la consommation, la maintenance, l'exploitation, etc. Ces matrices permettent une évaluation comparative des diverses technologies.

    Energétiquement, l'élimination d'une tonne d'eau, par séchage solaire, consomme environ 75 kWh d'électricité contre 80 à 130 kWh lors de l'utilisation des procédés conventionnels de séchage thermique. Cela, en plus de l'énergie de chauffage qui est évaluée à environ 700kWh thermique contre 850 à 1150 kWh pour les procédés conventionnels. L'énergie solaire représente, pour une année météorologique moyenne à Wasmuël, environs 25% de l'énergie nécessaire au séchage.

    La SPGE a ainsi décidé, sur proposition d'IDEA, de construire deux modules de serres sur le site de la station d'épuration de Wasmuël, d'une surface utile supérieure à 2000m², en vue de sécher les boues produites par les stations d'épuration gérées par l'Intercommunale. Ces modules seront mis en service au mois de juin 2017.

     

Solution(s) Durables

    SERRES SOLAIRES ET GEOTHERMIQUES

    L’adéquation entre l’eau géothermique résiduelle à une température de 50°C et le besoin d’une énergie à faible coût permet de développer sur le site de la station de Wasmuël un process de séchage en cascade des émetteurs (chauffage sol, batteries internes, batteries d’introduction d’air) dans la serre, à faible coût énergétique avec un régime de température de 50/30°C. Dans le contexte du séchage des boues de station d’épuration de Wasmuël, l’utilisation d’une énergie résiduelle géothermique à coût nul, permet une rentabilité économique du projet avec des performances accrues liées à l’utilisation de cette énergie. Les objectifs recherchés sont en premier lieu le séchage avec une siccité finale supérieure à 80% ayant pour conséquence une augmentation du PCI d’environ 4 MJ/kg à environ 14 MJ/kg permettant d’autres filières de valorisation. Ce process permettra de réduire d’un facteur 4 le volume des boues et donc le coût de stockage et d’évacuation, il donnera un produit fini sous forme de granulé sec, dur et sans odeur, il augmentera la stabilisation et l’hygiénisation et, enfin, il facilitera leur valorisation énergétique (combustion) et agricole (épandage). Une étude technico-économique des divers procédés de séchage des boues de station d’épuration a permis la mise en adéquation du type de sécheur et des objectifs recherchés sur la base de l’ensemble des paramètres étudiés (source d’énergie, implantation, tonnage, régime de T°, etc.).Le séchage solaire/géothermique s’est imposé comme la solution la plus adaptée, efficace et rustique dans notre contexte au regard de l’énergie résiduelle faible enthalpie, de l’emprise importante au sol et de la proximité de la source de rejet géothermique. Dans le cadre de cette étude, divers matrices ont été développées, prenant en compte le croisement de paramètres tels que : l’investissement, la consommation, la maintenance, l’exploitation, etc. Ces matrices permettent une évaluation comparative des diverses technologies. Energétiquement, l’élimination d’une tonne d’eau, par séchage solaire, consomme environ 75 kWh d’électricité contre 80 à 130 kWh lors de l’utilisation des procédés conventionnels de séchage thermique. Cela, en plus de l’énergie de chauffage qui est évaluée à environ 700kWh thermique contre 850 à 1150 kWh pour les procédés conventionnels. L’énergie solaire représente, pour une année météorologique moyenne à Wasmuël, environs 25% de l’énergie nécessaire au séchage. La SPGE a ainsi décidé, sur proposition d’IDEA, de construire deux modules de serres sur le site de la station d’épuration de Wasmuël, d’une surface utile supérieure à 2000m², en vue de sécher les boues produites par les stations d’épuration gérées par l’Intercommunale. Ces modules seront mis en service au mois de juin 2017.

    • Economique circulaire
    • Infrastructures
    • Gestion des déchets
    • EnR
    https://www.construction21.org/belgique/data/sources/users/28/dossier-de-la-redaction---pages-4-et-5---juin-2017-revu-ske-ez-9-juin.docx


Raisons de la candidature au(x) concours

​Les points forts pour la catégorie « Cycle de l’eau » :
• Utilisation de deux vecteurs énergétiques renouvelables solaire et résiduelle géothermique, zéro émission de CO2
• Augmentation des performances de séchage à 4 tonnes d’eau évaporé /m² alors qu’une serre traditionnelle a une performance de 0.8 tonne d’eau évaporé/m²
• Augmentation du taux de siccité de 25% à 85%
• Production de pellets séchés sans odeur ni poussière, hygiénisés
• Production de boues séchées à fort pouvoir énergétique, 16 MJ/kg (PCI du bois = 20 MJ/kg)
• Réduction du volume de boues initiale par un facteur 4 après séchage, de ce fait réduction du coût d’élimination/valorisation de ces boues
• Réduction du volume de boues initiale par un facteur 10 pour l’ensemble du cycle (séchage + gazéification), de ce fait réduction du coût d’élimination/valorisation
• Production d’électricité et de chaleur
• Economie de transport et des émissions de CO2 inhérentes au secteur par un facteur 10
• Autonomie énergétique thermique de l’ensemble du process de séchage des boues de stations d’épuration
• Autonomie énergétique électrique de l’ensemble du process de la station d’épuration de Wasmuël (250.000 EH) en fin de cycle (séchage +gazéification)
• Impact de ces économies cumulées sur le CVA (Coût-vérité assainissement) et donc sur la facture de l’ensemble des ménages
• ROI < 15 ans
• La technologie permet une localisation centralisée favorisant des économies d’échelles
• Séchage de boues de stations d’épuration régionales
• Création d’un cercle vertueux énergétique avec le process d’épuration dans son ensemble et du séchage des boues de stations d’épuration
• Rencontre des objectifs de la COP 21 en matière de réduction de gaz à effet de serre ainsi que des objectifs 20-20-20 définis par l’Europe au sein desquels la Wallonie s’est inscrite
• S’inscrit dans le développement de la station d’épuration du futur, station « zéro énergie »
• Projet porté dans le cadre d’un partenariat unissant IDEA, Intercommunale regroupant 27 communes du Cœur du Hainaut, et la SPGE, chargée de la coordination et du financement du secteur de l’eau en Wallonie


Les points forts pour la catégorie « Economie circulaire et déchets » :
• Utilisation de deux vecteurs énergétiques renouvelables solaire et résiduelle géothermique, zéro émission de CO2 pour le séchage
• Création d’un cercle vertueux énergétique avec le process d’épuration dans son ensemble et du séchage des boues de station d’épuration
• Réduction du volume de boues initiale par un facteur 4 après séchage, de ce fait réduction du coût d’élimination/valorisation de ces boues
• Réduction du volume de boues initiale par un facteur 10 pour l’ensemble du cycle (séchage + gazéification), de ce fait réduction du coût d’élimination/valorisation
• Production de boues séchées à fort pouvoir énergétique, 16 MJ/kg (PCI du bois = 20 MJ/kg)
• Production d’électricité et de chaleur grâce à la gazéification des pellets séchés
• Rendement global énergétique de la gazéification double de celui de la biométhanisation
• Production en final de résidus inertes après gazéification
• Coût d’élimination/valorisation divisé par 5 sur base du coût du kWh électrique actuel après gazéification
• Economie de transport et des émissions de CO2 inhérentes au secteur par un facteur 10
• La technologie permet une localisation centralisée favorisant les économies d’échelles
• Autonomie énergétique électrique de l’ensemble du process de la station d’épuration de Wasmuël (250.000 EH) en fin de cycle (séchage +gazéification)
• Autonomie énergétique thermique de l’ensemble du process de séchage des boues de stations d’épuration
• Séchage de boues de stations d’épuration régionales
• ROI < 15 ans
• Projet porté dans le cadre d’un partenariat unissant IDEA, Intercommunale regroupant 27 communes du Cœur du Hainaut, et la SPGE, chargée de la coordination et du financement du secteur de l’eau en Wallonie
• S’inscrit dans le développement de la station d’épuration du futur, station « zéro énergie »
• Rencontre des objectifs de la COP 21 en matière de réduction de gaz à effet de serre ainsi que des objectifs 20-20-20 définis par l’Europe au sein desquels la Wallonie s’est inscrite


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