4 NOUVELLES TECHNOLOGIES ÉCONERGÉTIQUES APPLICABLES AUX PROCÉDÉS DE FABRICATION

La filtration membranaire - Industrie des boissons

Type d’entreprise : usines de production de jus de fruits aux États-Unis
Application : production de concentré de jus de fruits frais
Période d’installation : de 1990 à 1999, 14 installations
Données économiques : non disponibles

Résultats :
- Énergie thermique nécessaire à l’évaporation : 1,162 MJ/kg d’eau évaporée.
- Énergie électrique nécessaire pour la filtration membranaire : 0,232 MJ/kg (0,065 kWh/kg).
- Réduction de 80 p. 100 des besoins en énergie correspondant à une baisse de 37 p. 100 de la facture énergétique (à raison de 4 $/GJ pour le gaz naturel, 75 p. 100 d’efficacité de génération de vapeur et 0,06 $/kWh pour l’électricité).

Méthodologie :
Le jus de fruit est pré-concentré par un module d’ultrafiltration suivi d’un module d’osmose inverse dont les membranes séparent sélectivement l’eau des autres constituants du jus. La concentration est ensuite poursuivie dans un évaporateur.

Projet réalisé :
La concentration du jus de fruits frais est réalisée en deux étapes :

• De 5 p. 100 initialement à 10 p. 100 de matière sèche totale : l’opération permet d’éliminer 50 litres d’eau par 100 litres de jus frais à l’aide d’un procédé membranaire combinant l’ultrafiltration et l’osmose inverse moins énergivore que le procédé par évaporation.
• De 10 p. 100 jusqu’à la concentration finale, soit entre 40 et 62 p. 100 de matière sèche totale selon la nature du jus de fruit : le jus est ensuite
  concentré à l’aide d’un évaporateur.

La filtration membranaire - Industrie de la transformation du lait

Type d’entreprise : usine de transformation de lait au Canada
Application : concentration de lactosérum de fromage
Date d’installation : 1990
Coûts liés à la filtration membranaire : 400 000 $ (pour une unité d’osmose inverse) + 83 000 $/an (fonctionnement)
Période de recouvrement de l’investissement : 3,6 ans

Résultats :
- Réduction de 90 p. 100 de la consommation énergétique liée à la concentration du lactosérum (gains de 173 000 $/an).
- Réduction de plus de 95 p. 100 des besoins en vapeur.
- La consommation électrique est accrue de 60 MWh/an (soit environ 2 400 $/an) pour alimenter l’installation d’osmose inverse et les coûts de renouvellement des membranes s’élèvent à 64 000 $/an.

Projet réalisé :
Un évaporateur à triple effet conventionnel (non équipé de recompression mécanique ou thermique de la vapeur) et alimenté par de la vapeur produite dans une chaudière a été remplacé par une unité d’osmose inverse pour concentrer 12 500 l/h de lactosérum de 6 à 21 p. 100 en matière sèche totale. Bien que l’unité de filtration membranaire entraîne une légère augmentation de la consommation électrique, cette technologie réduit considérablement les besoins en énergie thermique puisque la concentration se fait par séparation de l’eau à l’état liquide et ne nécessite plus son évaporation.

Limite de la technologie :
La filtration membranaire a des limites d’application comme procédé de concentration. Quoiqu’il y ait certaines variations d’un fabricant à l’autre, l’osmose inverse est généralement utilisée pour des opérations de pré-concentration du lactosérum jusqu’à 25 p. 100 de matière sèche totale. Pour des taux de matières sèches plus élevés, on fera appel aux méthodes classiques par évaporation.

La pompe à chaleur (PAC) - Industrie des viandes

Type d’entreprise : usine de transformation de volailles au Canada
Application : tempérage avant tranchage et découpe de quartiers congelés
Date d’installation : 1987
Coûts liés à la pompe à chaleur : 165 000 $ (investissement) + 9 500 $/an (fonctionnement)
Période de recouvrement de l’investissement : 2,9 ans

Résultats :
- Réduction de 56 000 $/an des coûts énergétiques (production d’eau chaude par récupération de chaleur au niveau des condenseurs évaporatifs).

Méthodologie :
Il s’agit de récupérer et de valoriser la chaleur auparavant rejetée dans l’atmosphère au niveau des condenseurs au moyen d’une PAC pour produire de l’eau chaude à un niveau de température utilisable au sein de l’usine.

Projet réalisé :
Le premier étage du système consiste à récupérer la chaleur contenue dans le réfrigérant chaud (ammoniac [NH₃] dans ce cas) à la décharge des compresseurs de réfrigération et de préchauffer (de 12 °C à 25 °C en moyenne) de l’eau au moyen d’échangeurs de chaleur qui utilisent une boucle eau-glycol comme fluide intermédiaire.

Le second et principal étage de récupération permet de chauffer l’eau qui a été préchauffée dans le premier étage à l’aide d’une PAC branchée sur le système de production de glace de l’usine qui lui fonctionne à l’ammoniac. Le réfrigérant (R12) de la PAC récupère la chaleur de condensation de l’ammoniac et la restitue à l’eau au niveau du condenseur de la PAC.

Le système permet ainsi de produire de l’eau chaude entre 40 °C et 63 °C directement utilisable pour les besoins de l’usine.

La recompression mécanique de la vapeur (RMV) - Industrie de la transformation du lait

Type d’entreprise : usine de transformation de lait aux États-Unis
Application : concentration de lactosérum de fromage
Date d’installation : 1988
Période de recouvrement de l’investissement : 4 ans

Résultats :
- Suppression du besoin en vapeur produite par la chaudière du site.
- Réduction de la consommation énergétique correspondant à des économies nettes de 165 000 $/an (économies de vapeur de 211 000 $/an, moins le coût de fonctionnement d’un compresseur supplémentaire s’élevant à 46 000 $/an).

Projet réalisé :
Un évaporateur à simple effet, à l’origine alimenté par de la vapeur produite dans une chaudière, est utilisé pour la concentration du lactosérum de fromage. Un compresseur centrifuge récupère la vapeur générée par l’évaporation et la porte, en la comprimant, à un niveau de température supérieur au point d’ébullition du liquide. Ainsi comprimée, la vapeur est utilisée comme source de chaleur à l’évaporateur : elle cède sa chaleur latente au contact du liquide plus froid et fournit ainsi l’énergie nécessaire à l’évaporation.

Limite de la technologie :
Bien que la RMV présente une grande efficacité énergétique, son adoption exige généralement de gros investissements qui dépendent directement de la quantité d’eau à évaporer. Ainsi, dans le cas des liquides très dilués, on aura tout intérêt à pré-concentrer la solution préalablement à son évaporation : la combinaison filtration membranaire + évaporation par RMV constitue souvent une solution très avantageuse.

Économies d'impôt liées à la catégorie 43.1 et à la catégorie 43.2 dans le cadre du Règlement de l’impôt sur le revenu

Les systèmes de cogénération produisant de l’électricité et de la chaleur qui en sont extraites à des fins utiles sont admissibles à des économies d’impôt liées à la catégorie 43.1 et à la catégorie 43.2 dans le cadre du Règlement de l’impôt sur le revenu. Ces mesures fiscales permettent une déduction accélérée du coût en capital, conformément aux conditions suivantes :

– un amortissement dégressif de 30 p. 100 par année, à condition que la consommation spécifique de chaleur* n’excède pas 6 000 Btu/kWh (6 330 kilojoules [kJ]/kWh) dans le cas de la catégorie 43.1;
– un amortissement dégressif de 50 p. 100 par année, à condition que la consommation spécifique de chaleur* n’excède pas 4 750 Btu/kWh (5 011 kJ/kWh), et que l’équipement utilisé ait été acquis après le 22 février 2005 et avant l’année 2020, dans le cas de la catégorie 43.2.

Pour de plus amples renseignements concernant les économies d’impôt liées à la production écologique de l’énergie et à l’équipement favorisant les économies d’énergie, veuillez consulter le guide intitulé Catégorie 43.1 – Guide technique et Guide technique relatif aux frais liés aux énergies renouvelables et à l’économie d’énergie au Canada (FEREEC). Vous pouvez également communiquer avec le Secrétariat des catégories 43.1 et 43.2.

* Dans le cas des catégories 43.1 et 43.2, la consommation spécifique de chaleur correspond à la formule F/(E + H/3 413), alors que la lettre F désigne la valeur de chauffage la plus élevée du combustible fossile utilisé dans une année, que la lettre E désigne la quantité d’énergie électrique brute produite dans une année, et que la lettre H désigne la quantité d’énergie thermique nette tirée du système à des fins utiles dans une année.

Évaluation de projets de cogénération

Le modèle de cogénération du logiciel RETScreen^® permet d’évaluer la production énergétique, le coût sur le cycle de vie, les réductions d’émissions, la viabilité financière et le risque de projets de production d’électricité, de chaleur et de froid dans des bâtiments individuels ou multiples et des procédés industriels. Le modèle permet de réaliser des études de préfaisabilité à partir d’une vaste gamme de combustibles renouvelables et non renouvelables et dispose de bases de données climatiques et de données sur les produits (p.ex. : moteurs à pistons, turbines à gaz, turbines à gaz avec cycle combiné, turbines à vapeur, piles à combustible, micro turbines, chaudières, compresseurs, pompes à chaleur à absorption, etc.).

Ce modèle de cogénération peut être téléchargé gratuitement à partir du site Internet de RETScreen^® International : www.retscreen.net.

RETScreen^® International est administré par le Centre de la technologie de l'énergie de CanmetÉNERGIE - Varennes de Ressources naturelles Canada.

Source : COGEN Europe (Association européenne pour la promotion de la cogénération)
* Pour ces systèmes, les rapports chaleur/puissance plus élevés peuvent être obtenus en ajoutant un brûleur supplémentaire à la sortie du moteur ou de la turbine.

Exemple d’application industrielle
Une application industrielle de la cogénération dans l’un des secteurs couverts par ce guide est illustrée dans l’exemple suivant.

La cogénération ou production combinée d’électricité et de chaleur - Industrie des viandes

Type d’entreprise : usine d’abattage et de transformation de volailles au Canada (capacité de 300 000 poulets par jour)
Application : production simultanée d’électricité, de vapeur et d’eau chaude à partir de gaz naturel
Date d’installation : 1999
Coûts d’investissement : 6 000 000 $ environ
Période de recouvrement de l’investissement : 5,5 ans

Résultats :
L’installation d’une turbine à gaz naturel de 5 MWe a permis de :
- Réduire les coûts en électricité de 6,5 à 5 cents par kWh (une diminution de plus de 20 p. 100).
- Accroître la sécurité d’alimentation électrique de l’usine en fournissant une partie importante de sa consommation d’électricité.
- Réduire sa consommation de gaz naturel d’environ 4 p. 100 pour une efficacité globale du système (production d’électricité et de chaleur) de 86 p. 100.

Méthodologie :
L’abattage et la transformation de volailles demandent des conditions sanitaires strictes. De grandes quantités d’eau chaude et de vapeur sont utilisées pour les besoins du procédé et le nettoyage des équipements. Avant la création du projet de cogénération, l’eau chaude était produite par plusieurs équipements, notamment des bouilloires à eau chaude et des pompes à chaleur interconnectées. D’importantes quantités d’énergie sont également requises pour réfrigérer les salles de conditionnement et pour la congélation. Ainsi l’usine consomme 2 270 m³ (500 000 gal imp.) d’eau chaude par jour et jusqu’à 9,5 MW d’électricité l’été. La cogénération offre la possibilité de rationnaliser la production d’énergie thermique tout en produisant de l’électricité pour alimenter le système de réfrigération de l’usine.

Projet réalisé :
L’approche adoptée consiste à produire par cogénération de l’électricité, de la vapeur et de l’eau chaude requises par le procédé. Le système mis en place comprend :
- Une turbine au gaz naturel de 5,2 MWe.
- À la sortie de la turbine à gaz, un brûleur supplémentaire et un système de récupération de chaleur pour la production de vapeur de l’usine (65 000 lb/h, 125 psig).
- À la sortie du générateur de vapeur, un économiseur à contact direct permettant de produire
1 360 litres (300 gal. imp.) d’eau chaude à 120 ºF (49 ºC) par minute.
- Un bâtiment séparé pour l’unité de cogénération, évitant ainsi d’importants coûts de construction et d’insonorisation dans l’usine.

4.5 Le traitement anaérobie (TA) des effluents et des déchets

Le procédé anaérobie constitue l’une des voies les plus intéressantes pour le traitement des effluents et des déchets industriels ayant une forte charge organique. En l’absence d’air et d’oxygène, certaines bactéries y transforment les résidus organiques, d’origine végétale, animale ou chimique, en biogaz (un mélange de méthane et de CO₂) qui peut être utilisé comme combustible pour remplacer le gaz naturel ou le mazout. Selon les cas, le procédé est appelé traitement, digestion ou fermentation anaérobie. Ces appellations sont équivalentes et, dans le contexte de ce guide, nous avons adopté le terme traitement anaérobie (TA).

Une vaste gamme de composés organiques peuvent être traités par voie anaérobie : hydrates de carbone (amidon, sucre, matières cellulosiques), graisses et huiles, protéines. Le TA est bien connu en Europe et en Asie, où l’on estime à plusieurs centaines le nombre de systèmes industriels de ce type en exploitation, mais ce procédé est encore peu répandu en Amérique du Nord où l’on ne retrouve que 12 p. 100 de l’ensemble des installations dans le monde.

Figure 4-4 – Répartition des installations industrielles de traitement anaérobie en Europe

Version textuelle

Aliments	40%
Brasseries et boissons gazeuses	25%
Distilleries	12%
Pâtes et papiers	9%
Produits chimiques	7%
Autres	7%

Source : Agence International de l’Énergie, 2001

En Europe, on retrouve plus de 75 p. 100 des systèmes industriels de TA dans le secteur des aliments et boissons, 9 p. 100 dans les pâtes et papiers, et 7 p. 100 dans l’industrie chimique. Au Canada, les installations existantes sont surtout des applications de valorisation du fumier et du lisier dans le secteur agricole. Le TA est également utilisé dans quelques usines de l’industrie des aliments et boissons et commence à être utilisé pour valoriser les résidus d’usines de pâtes et papiers.

Principe et caractéristiques du traitement anaérobie

Dans le secteur des aliments et boissons, cette technologie a été développée pour le prétraitement des eaux usées fortement chargées en matières organiques. Le procédé convertit environ 90 p. 100 de la charge organique en biogaz, tout en produisant un coproduit fertilisant. Les principales étapes du procédé sont les suivantes :

1. Un prétraitement physique (déchiquetage), chimique (hydrolyse) ou thermique (pasteurisation) est parfois requis avant d’alimenter le système de traitement.
2. Les matières organiques (en solution ou en suspension dans l’eau) sont introduites dans un réacteur^{Note de bas de page 17} où, en l’absence d’oxygène, des bactéries anaérobies les convertissent en biogaz et en résidu (solide ou liquide) qui peut être utilisé comme engrais.
3. La séparation des produits (biogaz et résidu solide ou liquide) peut se faire dans le réacteur même ou dans un équipement distinct situé en aval.
4. Le biogaz brut, qui contient de 50 à 80 p. 100 de méthane (CH₄, le principal constituant du gaz naturel) et de 20 à 50 p. 100 de dioxyde de carbone (CO₂), possède un pouvoir calorifique intéressant. Il contient également des traces de sulfure d’hydrogène (H₂S) que l’on devra parfois éliminer, si sa teneur dans le biogaz est trop élevée, préalablement à toute utilisation comme combustible.

La fraction solide résultante peut être utilisée comme engrais humide. Elle peut aussi être séchée et utilisée comme engrais solide, compostée, enfouie ou incinérée.

Dans certains cas, après le traitement anaérobie, il subsistera une charge organique qu’on traitera par un traitement aérobie ordinaire. L’effluent final sera alors rejeté à l’environnement ou au réseau municipal d’eaux usées à un coût bien inférieur à celui que l’on aurait dû acquitter en l’absence de TA.

Les principaux avantages du traitement anaérobie résident dans :

• Des gains économiques et environnementaux :
  • Par réduction de la charge des effluents rejetés à l’environnement ou aux réseaux municipaux d’eaux usées, ainsi que des odeurs liées à la gestion des déchets organiques.
  • Par génération de biogaz, une source d’énergie qui peut être utilisée comme combustible^{Note de bas de page 18} dans les chaudières ou systèmes de cogénération de l’usine en remplacement d’un combustible fossile (gaz naturel ou mazout).
• La production de résidus solides qui peuvent être utilisés comme engrais.
• Une application éprouvée de par le monde pour plusieurs procédés de l’industrie des aliments et boissons, en particulier les brasseries, les distilleries, les produits laitiers, les abattoirs.

4.6 Nouveaux modes de transfert thermique

Aux traditionnelles techniques de chauffage et de cuisson des aliments dans des fours à air chaud ou par contact sur des surfaces chauffantes, s’ajoutent de nouvelles techniques à haute efficacité énergétique issues principalement des électrotechnologies. Il s’agit des rayonnements infrarouges (IR), des hautes fréquences (HF), des micro-ondes (MO), du chauffage ohmique et du chauffage par induction.

Le principe de ces différents modes de transfert thermique varie considérablement d’un procédé à l’autre, mais ils recherchent tous un chauffage rapide et efficace du produit tout en respectant ses qualités gustatives et nutritionnelles.

Les principaux avantages de ces technologies résident dans :

• Leur rendement énergétique élevé (jusqu’à 95 p. 100).

• Un chauffage direct sans fluide intermédiaire.

• Des mises en marche, arrêts et réglages rapides.

• Des ajustements précis de la puissance de chauffe.

• L’absence d’huile pour les opérations de cuisson.

• La perte minime de poids du produit.

4.6.1 Le chauffage par rayonnement infrarouge

Le chauffage par rayonnement infrarouge (IR) est réalisé par des résistances électriques ou des radiants au gaz naturel (céramiques) qui sont portés à la température requise (plusieurs centaines de degrés Celsius) pour émettre le type de radiation désiré; on parle ainsi d’IR court, moyen ou long. La principale caractéristique du rayonnement infrarouge est d’être généralement absorbé à la surface du produit, ce qui provoque une élévation rapide de sa température.

- Applications : Cuisson et rôtissage des viandes. Cette technologie constitue une solution de remplacement intéressante aux procédés traditionnels qui utilisent des fours à air chaud ou des rôtissoires à huile.

- Limites : L’infrarouge est un procédé idéal pour le traitement de surface ou le chauffage de produits disposés en fines couches. Il ne peut donc traiter de façon homogène des produits épais et peut même conduire à leur dégradation thermique.

Exemple d’application industrielle
Des applications industrielles de l’infrarouge dans certains secteurs couverts par ce guide sont illustrées dans l’exemple suivant.

L’infrarouge (IR) - Industrie des viandes

Type d’entreprise : usine de transformation de volailles en Allemagne et usine de transformation de viandes aux Pays-Bas
Applications : cuisson de filets de poulet et cuisson de côtes de porc
Date d’installation : 1998
Données économiques : non disponibles

Résultats :
- Cuisson de filets de poulet : réduction de 78 p. 100 des coûts énergétiques (gains de 68 200 $/an) tout en doublant la capacité de production (500 kg/h contre 250 kg/h auparavant).
- Cuisson de côtes de porc : réduction de 67 p. 100 des coûts énergétiques (gains de 137 400 $/an) tout en augmentant la capacité de production de 35 p. 100 (950 kg/h contre 700 kg/h auparavant).

Avantages technologiques : Avec l’infrarouge, l’énergie est transmise directement au produit sans le besoin d’un fluide intermédiaire comme dans les rôtissoires ordinaires. La durée de l’opération est plus rapide et le contrôle plus facile. En outre, la cuisson par infrarouge ne nécessite plus d’huile, substance qui doit être régulièrement remplacée dans les procédés traditionnels, ce qui réduit encore les coûts et l’impact environnemental.

4.6.2 Les micro-ondes (MO) et les hautes fréquences (HF)

Ces électrotechnologies permettent de chauffer directement, rapidement et sans intermédiaire une substance peu conductrice d’électricité tels que les produits agroalimentaires. Bien que conduisant à des réalisations assez différentes dans la pratique, les deux technologies reposent sur le même principe : un champ électrique alternatif induit un mouvement des molécules (notamment l’eau et les graisses) qui dissipent de la chaleur. On les rencontre aussi bien pour des applications continues sous forme de tunnels que discontinues (ou batch) sous forme d’enceintes fermées et sont proposées par plusieurs fournisseurs d’équipements.

Les caractéristiques du traitement, notamment l’homogénéité du chauffage, dépendent de la nature du produit, de sa forme et de son épaisseur. Des études expérimentales préalables en usine pilote sont nécessaires pour définir les conditions optimales de fonctionnement. Parmi les solutions technologiques couramment rencontrées, l’application intermittente des MO ou des HF évite les surchauffes du produit alors que la mise en mouvement du produit dans l’enceinte favorise un traitement plus homogène.

- Applications : Tempérage et cuisson des aliments, contrôle bactérien des produits congelés (viandes, poissons), pasteurisation de produits emballés (produits préparés).

Exemples d’applications industrielles
Des applications industrielles des micro-ondes (MO) dans certains secteurs couverts par ce guide sont illustrées dans les exemples suivants.

Les micro-ondes (MO) - Industrie des viandes

Type d’entreprise : usine de transformation de dindes aux États-Unis
Application : tempérage de dindes congelées avant transformation
Date d’installation : non disponible
Données économiques : non disponibles

Résultats :
Les méthodes classiques pour tempérer la viande conduisaient à une perte de poids de 1 à 3 p. 100 avec les procédés à l’air chaud et jusqu’à 5 p. 100 pour les procédés à l’eau chaude. Cette perte de poids devient négligeable lorsque la viande est tempérée par micro-ondes.

Avantages technologiques :
En micro-ondes, l’énergie est absorbée en volume par la viande. Il n’y a pas d’énergie perdue pour chauffer un fluide intermédiaire comme dans les systèmes classiques à air chaud ou à huile et la durée de traitement est considérablement réduite.