Des inondations catastrophiques l'année dernière, un hiver doux comme il ne l'a pas été depuis longtemps, des températures printanières au mois de janvier. Le climat change, l'accumulation de situations météorologiques extrêmes l'indique plus que clairement. La protection du climat et l'efficacité énergétique sont des sujets plus importants que jamais. Il est grand temps d'utiliser l'énergie judicieusement. Au sein de l’Union européenne, on s'est efforcé et on s'efforce de réduire d’ici à 2020 les émissions de CO2, mortel pour le climat, non pas de 20 % mais de 30 %, et de se tenir fermement à cet objectif. Un appel est lancé aux chercheurs et aux industriels pour trouver des projets innovants destinés à protéger le climat.
Et les possibilités sont infinies. Des potentiels énergétiques inutilisés attentent d'être exploités. Dans le domaine de la récupération d’énergie, un projet de recherche ambitieux, soutenu par le ministère fédéral allemand de l’économie et des technologies et sur demande d’une résolution du Parlement fédéral, a été lancé depuis 2010 en série chez DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. KG. L'idée sous-jacente est la suivante : « Dans de nombreux processus industriels, les gaz de processus s’évaporent inutilement dans l’atmosphère. L’idée de départ était de rendre ces gaz énergétiquement utilisables. » Mais la récupération d’énergie issue des gaz de processus n’est pas nouvelle. Dr.-Ing. Rolf Pfeiffer déclarait à ce sujet : « La nouveauté réside dans le fait que grâce à notre concept, de petites quantités d'énergie résiduelle allant de 5 à 20 kilowatts peuvent être transformées en courant dans un petit appareil compact et décentralisé conçu pour récupérer l’énergie. »
Prof. Dr. Ing. A. P. Weiß de l'Université des sciences appliquées de Amberg-Weiden entrevoit dans le futur un fort potentiel pour ce système : « À l'avenir, les systèmes pneumatiques pourraient de plus en plus être utilisés lors du stockage décentralisé d'énergie renouvelable en excès. Grâce au générateur à turbine innovant GET de DEPRAG, le CAES (Compressed Air Energy Storage), le dénommé stockage à court terme de l'énergie éolienne ou solaire, même pour de petites quantités de kW, pourrait représenter un nouveau domaine d'utilisation de l'air comprimé. »
Aujourd'hui, DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. KG a achevé le développement de son prototype du générateur à turbine innovant DEPRAG GET pour la plage de puissance de 3 à 50 kW du point de vue électrique dans les versions 5 kW, 20 kW et 50 kW. Ces versions sont configurées individuellement pour chaque processus.
La conception fluidique et la construction du générateur à turbine exigent la définition de paramètres de processus spécifiques : type de milieu, pression d'entrée, pression de sortie, débit massique, température d'entrée et température de sortie. En outre, les experts de DEPRAG nécessitent un mode d'emploi pour intégrer le générateur à turbine GET dans le processus.
Le générateur à turbine DEPRAG peut être utilisé non seulement dans un processus ouvert mais également dans un processus fermé. Il peut être conçu pour différents milieux, tels que l'air comprimé, le gaz naturel, le CO2, la vapeur d'eau, R245fa, SES36, le cyclopentan.
Dr. Rolf Pfeiffer : « Notre système de récupération s’adapte à de nombreuses applications, s’agisse-t-il d’électrifier directement les gaz du processus ou d’exploiter indirectement les chaleurs résiduelles inutilisées lors de l'intégration de notre unité GET dans un processus ORC. »
Dès les premières études, le responsable du développement de l’équipe de DEPRAG, Gerd Zinn, s’engageait à ce que le nouveau système de récupération d’énergie soit petit, simple et robuste, qu’il s’applique aux plages de 5 à 20 kW, et qu’il puisse être utilisé dans un mécanisme sans que les coûts et l’entretien ne posent de problème. Mais pour les concepteurs cela constitua le principal défi. En effet, étant données les réalités physiques et le petit diamètre des turbines réceptrices, le régime de la turbine s’en trouvait relativement élevé, et, de fait, celui du générateur également. Les caractéristiques mécaniques des matériaux adaptés constituaient en effet de véritables limites. Aucun générateur vendu dans le commerce n’était assez petit et ne répondait aux exigences de limite d’endurance respectant un régime stable de 40 000 tours/minute. Ainsi, il a été nécessaire de développer en interne un générateur électrique adéquat. Les ingénieurs se concentrèrent principalement sur la durée de vie du rotor. Des recherches intensives ont abouti à un système complet compact, basé sur une machine synchrone à excitation permanente destinée à la production d'électricité.
Le générateur à turbine DEPRAG ressemble à ceci : une unité compacte, composée d’une microturbine à expansion et d’un générateur électrique, produit de l’électricité à partir de gaz. Sans l'armoire de commande électrique qui l’accompagne, le générateur à turbine n’est pas beaucoup plus gros qu'une boîte de chaussures et peut être décentralisé soit à l’endroit où la haute pression du gaz est ramenée à une pression plus basse. Jusqu’ici, l’énergie de pression alors libérée ne servait que rarement à produire du courant, et un potentiel énergétique, écologiquement précieux, s’évaporait inutilement. Très innovant, le générateur à turbine GET de DEPRAG transforme l’énergie contenue dans le fluide de production en électricité. Le gaz pénètre dans la turbine, il est compressé par des gicleurs et accéléré. C’est à la rencontre de l’aubage de la turbine et lorsqu’il est redirigé qu’il lui transmet son énergie. Au sein du générateur, l’énergie cinétique est transformée en énergie électrique. Au cœur de cet innovant système, la turbine et le générateur électrique constituent une unité compacte possédant un arbre commun. Résultat : La rotation de la turbine entraîne le rotor du générateur.
On peut imaginer de transposer la récupération d’énergie du générateur à turbine DEPRAG dans de nombreux domaines d'application. Lors de la fusion des métaux, tels que l'aluminium ou le cuivre, les pots de fusion sont refroidis par air comprimé. L’air sous pression circule le long de tunnels de réfrigération et évacue la chaleur, qui finit généralement par s’évaporer inutilement dans l’atmosphère. Grâce à la microturbine à expansion et au générateur intégré, cette chaleur est transformée en courant électrique et alimente le réseau.
Un exemple de calcul de l'air comprimé l'illustre : Avec une pression d'entrée de 20 bars (abs.), une pression initiale de 5 bar (abs.) et une température d'entrée de 180°C, le générateur à turbine GET peut récupérer une puissance électrique d'environ 20 kW au moyen d'un débit massique correspondant.
Utiliser le générateur à turbine GET pour produire de l'électricité à partir d'énergie résiduelle peut, sur la base du processus ORC (Organic Rankine Cycle), également être envisagé dans les installations de biogaz et les centrales de biogénération. Grâce au nouveau générateur à turbine et à la possibilité d’utiliser efficacement les moindres quantités de chaleur perdue des processus de recyclage ORC, le rendement électrique des installations peut être largement optimisé.
Afin d'améliorer encore l'efficacité des installations de biogaz, le méthane peut être injecté dans le réseau de gaz naturel permettant, par conséquent, le stockage ou le transport d'énergie. Le biogaz est constitué essentiellement de méthane et de dioxyde de carbone. Par conséquent, l'élimination de la quantité de dioxyde de carbone du biogaz est une condition indispensable pour l'injection dans le réseau. Généralement, cela s'effectue dans des installations techniques qui traitent le dioxyde de carbone à une pression et à un niveau de température relativement élevés. L'importante quantité d'énergie y étant contenue peut également être récupérée au moyen du générateur à turbine.
En outre, une offre complète d'accessoires a été développée : Les unités de réinjection jusqu'à 15 kW regroupent dans un boîtier compact le redresseur, l'onduleur et le circuit de ballast. Une résistance de charge externe est contrôlée directement par ce montage. Si la turbine ne fournit pas d'énergie, le convertisseur d'injection se coupe et ne consomme pas d'énergie du réseau. Dès que le générateur à turbine fournit à nouveau de l'énergie, l'unité d'injection s'enclenche automatiquement.
Les systèmes d'injection de 25-50 kW sont des électroniques de puissance spécialement conçues pour les générateurs à grande vitesse. Outre des dimensions spécifiques et des concepts de refroidissement, d'autres fonctionnalités supplémentaires et de sécurité telles que la surveillance de réseau ou les résistances de freinage peuvent être prises en considération.
Pour augmenter les intervalles de maintenance, les ingénieurs ont aussi développé une unité de regraissage utilisée pour le regraissage automatique des paliers de la turbine. La pompe de graissage compacte est conçue avec une batterie pour permettre un fonctionnement autonome et ne nécessite aucune alimentation électrique externe, mais peut être connectée à une console de 24V.
L’entreprise DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. KG fait partie des leaders du marché dans le domaine des moteurs pneumatiques. A partir du développement et de la fabrication de différents systèmes d’entraînement pneumatiques, la technologie à turbine est devenue la nouvelle priorité au cours des dix dernières années. Grâce à ces solutions innovantes des applications totalement nouvelles peuvent être réalisées. L'entreprise familiale emploie environ 600 salariés et est représentée dans plus de 50 pays à travers le monde. Depuis longtemps déjà, l’innovation et l’amélioration continue des lignes de production existantes constituent pour DEPRAG la meilleure réponse aux défis du temps.
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