La décision concernant la source de chauffage
Une installation prévoit de chauffer 12 réservoirs de traitement, chacun nécessitant 40 kW de puissance de chauffage. Deux options sont à l'étude : installer des thermoplongeurs électriques dans chaque réservoir, ou installer une chaudière à vapeur centrale au gaz naturel-desservant des échangeurs de chaleur en PTFE dans chaque réservoir.
L'option électrique offre la simplicité : pas de chaudière, pas de tuyauterie vapeur, pas de retour des condensats, pas de traitement de l'eau. Chaque cuve possède son propre chauffage électrique, piloté indépendamment. Le coût en capital correspond aux 12 radiateurs électriques plus l'infrastructure électrique.
L'option vapeur nécessite une chaudière, une tuyauterie de distribution de vapeur, un système de retour des condensats, un équipement de traitement de l'eau et 12 échangeurs de chaleur en PTFE. Le coût du capital est plus élevé. Le coût d'exploitation-dominé par l'énergie-est inférieur, car le gaz naturel par unité d'énergie coûte environ un-tiers à un-quart de l'électricité sur la plupart des marchés industriels.
La comparaison du coût total sur 10 ans détermine quelle option offre le coût de cycle de vie le plus faible, en tenant compte de l'énergie, du remplacement des équipements et de la maintenance.
Le différentiel de coût énergétique
Le chauffage par résistance électrique convertit près de 100 % de l’énergie électrique en chaleur au point d’utilisation. Il n’y a aucune perte de cheminée, aucune perte de tuyauterie, aucune perte par purge. L'efficacité délivrée est essentiellement de 100 %.
La production de vapeur au gaz naturel implique de multiples pertes d’efficacité. Une chaudière industrielle-bien entretenue fonctionne avec une efficacité de 80 -85 % de carburant-pour-vapeur. La tuyauterie de distribution de vapeur perd 5 - 10 % de sa chaleur à cause des pertes d'isolation. Les systèmes de retour de condensats perdent de la chaleur supplémentaire. L'efficacité globale du combustible-processus est de 65 à 75 %.
Malgré ces pertes, le gaz naturel est tellement moins cher par unité d’énergie que l’électricité que l’option vapeur est plus avantageuse en termes de coûts d’exploitation. Aux prix moyens de l'énergie industrielle aux États-Unis -0,08 $/kWh d'électricité, 4,50 $/MMBtu de gaz naturel-le coût par kWh de chaleur fourni est de 0,08 $ pour l'électricité et de 0,023 $ pour la vapeur de gaz naturel (ce qui représente une efficacité globale de 70 %).
Tableau 1 : Comparaison des coûts totaux sur 10 ans (12 réservoirs × 40 kW, 6 000 heures/an de fonctionnement)
| Elément de coût | Thermoplongeurs électriques | Chaudière dédiée + échangeurs de chaleur PTFE |
|---|---|---|
| Coûts d'investissement | ||
| Équipement de chauffage (12 unités) | $48,000 (12 × $4,000) | 96 000 $ (12 PTFE × 8 000 $) |
| Chaudière et système de vapeur | $0 | 65 000 $ (installé) |
| Mise à niveau des infrastructures électriques | $25,000 | $0 |
| Capital total | $73,000 | $161,000 |
| Coûts d'exploitation annuels | ||
| Coût énergétique | 230 400 $ (2 880 MWh × 0,08 $) | 82 800 $ (équivalent à 3 600 MWh × 0,023 $) |
| Remplacements de chauffage (éléments électriques tous les 2 ans) | 48 000 $ (6 remplacements/an × 4 000 $ × 10 ans=240 000 $ / 10) | $0 (PTFE >durée de vie de 10 ans) |
| Entretien de chaudière et traitement de l'eau | $0 | $8,000 |
| Total annuel d'exploitation | $278,400 | $90,800 |
| Coût total sur 10 ans | $2,857,000 | $1,069,000 |
Le coût de remplacement de l’équipement
Les thermoplongeurs électriques ont une durée de vie limitée. Dans les bains chimiques corrosifs, même les éléments électriques gainés tombent en panne dans un délai de 2 à 3 ans en raison de la corrosion de la gaine ou d'une défaillance du joint. Sur 10 ans, chacun des 12 réservoirs nécessite 3 à 5 remplacements de chauffage. Le coût de remplacement cumulé approche ou dépasse le coût en capital initial.
Les échangeurs de chaleur en PTFE chauffés à la vapeur n'ont aucun élément électrique susceptible de tomber en panne. Le faisceau de tubes en PTFE, correctement conçu pour la pression et la température de la vapeur, dure 10+ ans sans remplacement. Le coût de remplacement de l'équipement sur 10-ans pour l'option vapeur est proche de zéro pour l'équipement côté réservoir.
La chaudière elle-même nécessite un entretien -nettoyage des tubes, entretien du brûleur, traitement de l'eau-, mais ces coûts sont prévisibles et modestes par rapport au coût du remplacement répété des thermoplongeurs électriques dans des environnements chimiques agressifs.
La considération de flexibilité et de redondance
L’option vapeur offre une flexibilité opérationnelle. La chaudière peut répondre à des besoins de chauffage de processus supplémentaires au-delà des 12 réservoirs-de chauffage des locaux, du chauffage des solutions de nettoyage ou des futurs vases d'expansion. L’option électrique ne dessert que les réservoirs et n’offre aucun avantage en termes de retombées.
Si la chaudière nécessite un entretien, les réservoirs peuvent continuer à fonctionner avec de l'eau chaude stockée ou avec un débit réduit. Si un radiateur électrique tombe en panne dans un réservoir, ce réservoir est hors production jusqu'à ce que le radiateur soit remplacé. L'échangeur PTFE, étant intrinsèquement plus fiable, réduit mais n'élimine pas ce risque-cependant, la chaudière elle-même ajoute un risque de défaillance ponctuelle-qui doit être géré par une planification de redondance ou d'urgence.
Résumé
Sur une période de 10 - ans, la combinaison d'une chaudière au gaz naturel dédiée et d'échangeurs de chaleur en PTFE coûte environ 1 069 000 $ au total, contre 2 857 000 $ pour des thermoplongeurs électriques, soit une réduction de 63 %. Le coût en capital du système à vapeur est plus élevé (161 000 $ contre 73 000 $), mais les économies de coûts énergétiques de 147 600 $ par an et l'élimination des remplacements récurrents des radiateurs électriques permettent de récupérer la différence en capital au cours de la première année d'exploitation.
Pour les installations dotées de trois réservoirs chauffés ou plus, la combinaison vapeur-plus-PTFE est l'option la moins coûteuse. Le point de croisement dépend des prix locaux de l’énergie, de la corrosivité des produits chimiques du procédé (qui détermine la fréquence de remplacement des réchauffeurs électriques) et de la disponibilité de l’infrastructure de vapeur existante.
Une analyse technique pour la comparaison des sources de chauffage dans des conditions spécifiques d'installation est disponible sur soumission du nombre et de la taille des réservoirs, des tarifs locaux d'électricité et de gaz, de la chimie du procédé et de l'infrastructure de services publics existante.
