Le Département des services de drainage du gouvernement de la Région administrative spéciale de Hong Kong s'engage à contribuer à la lutte contre le changement climatique. Au fil des ans, des installations économes en énergie et utilisant des énergies renouvelables ont été mises en place dans certaines de ses usines. Avec le lancement officiel de la phase II A du « Plan d'assainissement du port de Hong Kong », le Département des services de drainage a installé un système de production d'électricité par turbine hydraulique à la station d'épuration de Stonecutters Island (la plus grande station d'épuration de Hong Kong). Ce système utilise l'énergie hydraulique des eaux usées pour actionner une turbine et produire de l'électricité destinée aux installations de la station. Cet article présente le système, notamment les difficultés rencontrées lors de sa mise en œuvre, les considérations et les caractéristiques de sa conception et de sa construction, ainsi que ses performances opérationnelles. Le système permet non seulement de réduire les coûts d'électricité, mais aussi de diminuer les émissions de carbone grâce à une utilisation judicieuse de l'eau.
1. Introduction au projet
La deuxième phase (A) du « Plan d’assainissement du port » est un vaste programme mis en œuvre par le gouvernement de la Région administrative spéciale de Hong Kong pour améliorer la qualité de l’eau du port Victoria. Entièrement opérationnel depuis décembre 2015, il prévoit la construction d’un tunnel d’égouts profond d’environ 21 km de long et à 163 m de profondeur. Ce tunnel transporte les eaux usées produites au nord et au sud-ouest de l’île vers la station d’épuration de Stonecutters Island et porte la capacité de traitement de cette dernière à 245 000 m³/jour, desservant ainsi environ 5,7 millions d’habitants. En raison du manque d’espace, la station d’épuration de Stonecutters Island utilise 46 bassins de sédimentation à double étage pour le traitement primaire chimique des eaux usées. Chaque paire de bassins partage un puits vertical (soit 23 puits au total) qui achemine les eaux usées purifiées vers le réseau de drainage souterrain pour une désinfection finale, avant leur rejet en mer.
2. Recherche et développement précoces pertinents
Compte tenu du volume important d'eaux usées traitées quotidiennement par la station d'épuration de Stonecutters Island et de la conception unique à double paroi de son bassin de sédimentation, celle-ci peut fournir une certaine quantité d'énergie hydraulique lors du rejet des eaux usées purifiées afin d'actionner une turbine et produire de l'électricité. L'équipe du service d'assainissement a donc mené une étude de faisabilité en 2008 et réalisé une série d'essais sur le terrain. Les résultats de ces études préliminaires confirment la faisabilité de l'installation de turbines.
Emplacement d'installation : dans le puits du bassin de sédimentation ; Pression d'eau effective : 4,5 à 6 m (la conception précise dépend des conditions d'exploitation futures et de la position exacte de la turbine) ; Débit : 1,1 à 1,25 m³/s ; Puissance de sortie maximale : 45 à 50 kW ; Équipements et matériaux : les eaux usées traitées conservant une certaine corrosivité, les matériaux et équipements sélectionnés doivent présenter une protection et une résistance à la corrosion adéquates.
À cet égard, le Département des services de drainage a réservé de l'espace pour deux ensembles de bassins de sédimentation dans la station d'épuration afin d'installer un système de production d'énergie par turbine dans le cadre du projet d'expansion du « Projet d'épuration du port Phase II A ».
3 Considérations et fonctionnalités de conception du système
3.1 Puissance générée et pression d'eau effective
La relation entre la puissance électrique générée par l'énergie hydrodynamique et la pression effective de l'eau est la suivante : puissance électrique générée (kW) = [densité des eaux usées purifiées ρ (kg/m3) × débit d'eau Q (m3/s) × pression effective de l'eau H (m) × constante de gravité g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Rendement global du système (%). La pression d'eau effective correspond à la différence entre le niveau d'eau maximal admissible du puits et le niveau d'eau du puits adjacent dans l'écoulement de l'eau.
Autrement dit, plus la vitesse d'écoulement et la pression d'eau effective sont élevées, plus la puissance générée est importante. Par conséquent, pour produire davantage d'énergie, l'un des objectifs de conception est de permettre au système de turbine de recevoir la vitesse d'écoulement et la pression d'eau effective les plus élevées possibles.
3.2 Points clés de la conception du système
En tout premier lieu, du point de vue de la conception, le nouveau système de turbine installé ne doit pas perturber le fonctionnement normal de la station d'épuration. Par exemple, le système doit comporter des dispositifs de protection appropriés afin d'éviter tout débordement du bassin de décantation en amont, dû à un dysfonctionnement du système. Les paramètres de fonctionnement définis lors de la conception sont les suivants : débit de 1,06 à 1,50 m³/s et pression d'eau effective de 24 à 52 kPa.
De plus, étant donné que les eaux usées purifiées par le bassin de sédimentation contiennent encore des substances corrosives, telles que le sulfure d'hydrogène et le sel, tous les matériaux des composants du système de turbine en contact avec les eaux usées purifiées doivent être résistants à la corrosion (comme les matériaux en acier inoxydable duplex souvent utilisés pour les équipements de traitement des eaux usées), afin d'améliorer la durabilité du système et de réduire le nombre d'opérations de maintenance.
En matière de conception du système électrique, la production d'énergie de la turbine de traitement des eaux usées étant instable pour diverses raisons, l'ensemble du système est raccordé en parallèle au réseau afin de garantir une alimentation électrique fiable. Ce raccordement est effectué conformément aux directives techniques de raccordement publiées par la compagnie d'électricité et le Département des services électriques et mécaniques du gouvernement de la Région administrative spéciale de Hong Kong.
Concernant le tracé des canalisations, outre les contraintes du site, les besoins en maintenance et réparation du système sont également pris en compte. À cet égard, le projet initial d'installation de la turbine hydraulique dans le puits du bassin de décantation, proposé dans le cadre du projet de recherche et développement, a été modifié. Désormais, les eaux usées traitées sont évacuées du puits par un collecteur et acheminées vers la turbine hydraulique, ce qui simplifie et accélère considérablement la maintenance et réduit son impact sur le fonctionnement normal de la station d'épuration.
Étant donné que le bassin de sédimentation doit parfois être mis hors service pour maintenance, le collecteur du système de turbine est relié à deux arbres d'arbres de quatre ensembles de bassins de sédimentation à double étage. Même si deux ensembles de bassins de sédimentation s'arrêtent, les deux autres peuvent continuer à fournir des eaux usées traitées, à actionner le système de turbine et à produire de l'électricité. De plus, un emplacement a été prévu près de l'arbre du bassin de sédimentation n° 47/49 pour l'installation future d'un second groupe hydroélectrique, de sorte que lorsque les quatre ensembles de bassins de sédimentation fonctionnent normalement, les deux groupes hydroélectriques peuvent produire de l'électricité simultanément, atteignant ainsi la capacité de production maximale.
3.3 Sélection de la turbine hydraulique et du générateur
La turbine hydraulique est l'équipement clé de l'ensemble du système de production d'énergie. On distingue généralement deux types de turbines selon leur principe de fonctionnement : les turbines à impulsion et les turbines à réaction. Dans une turbine à impulsion, le fluide est propulsé à grande vitesse vers les aubes par plusieurs buses, entraînant ainsi le générateur pour produire de l'énergie. Dans une turbine à réaction, le fluide traverse les aubes et la pression de l'eau actionne le générateur pour produire de l'énergie. Dans cette conception, le choix s'est porté sur une turbine Kaplan, une turbine à réaction particulièrement adaptée, car les eaux usées traitées peuvent fournir une faible pression. Cette turbine présente un rendement élevé à basse pression et sa faible épaisseur la rend plus appropriée aux espaces restreints du site.
Pour la production d'électricité, un générateur synchrone à aimants permanents entraîné par une turbine hydraulique à vitesse constante a été choisi. Ce générateur offre une tension et une fréquence plus stables qu'un générateur asynchrone, ce qui améliore la qualité de l'alimentation électrique, simplifie le réseau parallèle et réduit les besoins de maintenance.
4 Caractéristiques de construction et de fonctionnement
4.1 Disposition parallèle de la grille
Le raccordement au réseau doit être effectué conformément aux directives techniques de raccordement publiées par la compagnie d'électricité et le Département des services électriques et mécaniques du gouvernement de la Région administrative spéciale de Hong Kong. Selon ces directives, le système de production d'énergie renouvelable doit être équipé d'une fonction de protection contre l'îlotage, capable de le séparer automatiquement du réseau de distribution en cas d'interruption de l'alimentation électrique, quelle qu'en soit la raison. Ainsi, le système de production d'énergie renouvelable ne peut plus alimenter le réseau de distribution, garantissant ainsi la sécurité du personnel électricien intervenant sur le réseau ou le système de distribution.
En matière de fonctionnement synchrone de l'alimentation électrique, le système de production d'énergie renouvelable et le système de distribution ne peuvent être synchronisés que lorsque l'intensité de la tension, l'angle de phase ou la différence de fréquence sont contrôlés dans des limites acceptables.
4.2 Contrôle et protection
Le système de production d'énergie par turbine hydraulique peut être piloté en mode automatique ou manuel. En mode automatique, les arbres des bassins de décantation 47/49 ou 51/53 servent de source d'énergie hydraulique. Le système de contrôle actionne alors différentes vannes de régulation, selon les paramètres par défaut, afin de sélectionner le bassin de décantation le plus approprié et d'optimiser ainsi la production d'énergie de la turbine hydraulique. De plus, la vanne de régulation ajuste automatiquement le niveau d'eaux usées en amont pour éviter tout débordement du bassin de décantation et maximiser ainsi la production d'énergie. Le groupe turbogénérateur peut être piloté depuis la salle de contrôle principale ou sur site.
En matière de protection et de contrôle, si le boîtier d'alimentation ou la vanne de contrôle du système de turbine tombe en panne ou si le niveau d'eau dépasse le niveau d'eau maximal autorisé, le système de production d'énergie par turbine hydraulique arrêtera également automatiquement son fonctionnement et évacuera les eaux usées purifiées par le tuyau de dérivation, afin d'empêcher le débordement du réservoir de sédimentation en amont dû à une panne du système.
5. Performances du système de fonctionnement
Ce système de production d'énergie par turbine hydraulique a été mis en service fin 2018, avec une production mensuelle moyenne supérieure à 10 000 kWh. La pression d'eau nécessaire à son fonctionnement varie en fonction du débit des eaux usées collectées et traitées quotidiennement par la station d'épuration. Afin d'optimiser la production d'énergie, le service des eaux usées a conçu un système de contrôle qui ajuste automatiquement le couple de la turbine en fonction du débit journalier, améliorant ainsi le rendement de la production. La figure 7 illustre la relation entre le système de production d'énergie et le débit d'eau. Lorsque le débit dépasse le seuil prédéfini, le système se met automatiquement en marche pour produire de l'électricité.
6 Défis et Solutions
Le service des eaux pluviales a rencontré de nombreux défis dans la réalisation des projets concernés et a élaboré des plans correspondants en réponse à ces défis.
7 Conclusion
Malgré divers obstacles, ce système de production d'énergie par turbine hydraulique a été mis en service avec succès fin 2018. Sa production mensuelle moyenne dépasse 10 000 kWh, soit l'équivalent de la consommation électrique mensuelle moyenne d'environ 25 foyers hongkongais (la consommation mensuelle moyenne par foyer à Hong Kong en 2018 étant d'environ 390 kWh). Le Département des services d'assainissement s'engage à « fournir des services de traitement des eaux usées et pluviales et d'assainissement de classe mondiale afin de promouvoir le développement durable de Hong Kong », tout en soutenant des projets de protection de l'environnement et de lutte contre le changement climatique. Dans le cadre de son utilisation des énergies renouvelables, le Département des services d'assainissement exploite le biogaz, l'énergie solaire et l'énergie issue du traitement des eaux usées. Ces dernières années, sa production annuelle moyenne d'énergie renouvelable s'élève à environ 27 millions de kWh, couvrant ainsi près de 9 % de ses besoins énergétiques. Le Département des services d'assainissement poursuivra ses efforts pour renforcer et promouvoir l'utilisation des énergies renouvelables.
Date de publication : 22 novembre 2022
