Faribault Energy Park, une centrale à cycle combiné alimentée au gaz de 300 MW située dans le sud du Minnesota, représente un investissement important dans les infrastructures énergétiques durables. Propriété de la Minnesota Municipal Power Agency (MMPA) et exploitée par NAES Corporation, la centrale a été mise en service en 2007.
Le parc énergétique de Faribault utilisait initialement des remorques mobiles d'échange d'ions pour son eau d'appoint pour la vapeur. Cette solution était un compromis dû aux restrictions imposées sur le rejet des eaux usées provenant d'un système permanent d'osmose inverse (OI). Les remorques mobiles ont posé d’importants défis opérationnels, en particulier pendant les hivers rigoureux du Minnesota, créant des conditions glaciales et des risques pour la sécurité du personnel de l’usine. De plus, la source d’eau de l’usine, un système de bassin alimenté par un puits et de l’eau de pluie, était soumise à des pics de turbidité élevés et à des températures variables, créant un environnement difficile pour un système de traitement de l’eau standard à membrane. Le filtre multimédia (MMF) existant a également été jugé inadéquat pour prétraiter l'eau afin d'atteindre la qualité requise par un système d'osmose inverse, notamment en ce qui concerne la turbidité et l'indice de densité sédimentaire (SDI).
Pour remédier à ces problèmes, la direction de l’usine a élaboré un plan complet visant à installer un système interne permanent de traitement de l’eau. La première étape, et la plus cruciale, a consisté à surmonter l’obstacle réglementaire. La Minnesota Municipal Power Agency (MMPA), en collaboration avec Veolia, a présenté un plan détaillé aux autorités municipales compétentes. Le plan a démontré que le concentré OI (eau rejetée) était de qualité similaire à celui du système existant et qu’il représenterait moins de 0,01 % du volume du système de refroidissement, ce qui aurait un impact minimal sur la composition de l’eau de purge finale. Cette approche basée sur les données a permis d’obtenir l’approbation nécessaire pour évacuer le rejet de l’OI dans la tour de refroidissement.
Une fois l’autorisation réglementaire accordée, le personnel de l’usine a rédigé une demande de devis détaillée et évalué les propositions de divers équipementiers de l’industrie de l’eau.
Pour répondre aux spécifications de l’eau d'alimentation de chaudière de haute pureté, la conception de base retenue était un système d'osmose inverse à deux passages, l’eau du produit final étant polie par des cuves de désionisation à lit mélangé (MBDI) à échange de services. Pour traiter l’eau brute difficile, l’ultrafiltration (UF) a été choisie comme méthode de prétraitement plutôt que d’autres solutions telles que la coagulation et un second MMF. L’UF a été sélectionnée pour sa capacité à fournir une eau de qualité supérieure et constante (en filtrant les particules jusqu’à 0,1 microns), son fonctionnement entièrement automatisé, notamment les cycles de nettoyage en place (NEP), et sa résilience aux variations de qualité et de température de l’eau. Cela a permis d’éviter la forte implication de l’opérateur requise par les systèmes conventionnels. Veolia a été choisi comme équipementier, fournissant un système UF compact monté sur patins et un système d’osmose inverse à deux passages. La conception mécanique et l’installation ont été habilement gérées en interne par l’équipe de l’usine, qui a collaboré avec Veolia pour la conception du processus et avec un entrepreneur électricien local pour les travaux électriques.
Le système permanent de traitement de l’eau a été installé avec succès en 2010, offrant des avantages immédiats et significatifs. Le nouveau système a amélioré l’efficacité opérationnelle, amélioré la sécurité sur le site en éliminant les dangers hivernaux associés aux remorques mobiles et a commencé à générer des économies de coûts par rapport à la configuration de location précédente. La conception novatrice et efficace du projet a été officiellement reconnue lorsqu’il a reçu un prix des meilleures pratiques du Combined Cycle Journal en 2012.
Une analyse à long terme menée quatorze ans après la mise en service a confirmé le succès durable du projet. L’examen a permis de confirmer que l’analyse de rentabilisation initiale du système permanent avait été entièrement réalisée, et que son rendement et ses économies de coûts avaient atteint ou dépassé les projections initiales. Le système intégré, qui comprend l’ultrafiltration, l’osmose inverse à deux passages et le polissage MBDI, s’est avéré être une solution robuste et fiable à long terme, gérant efficacement une source d’eau difficile tout en fournissant constamment l’eau de grande pureté essentielle au fonctionnement efficace et sûr de l’usine.
Le système UF/OI est situé dans le bâtiment de l’eau de qualité. La configuration générale du réseau d'alimentation en eau du site est illustrée à la figure 1.
Résultat
Le système d’ultrafiltration (UF) est nettoyé avec le nettoyage d’entretien automatique standard 3 à 4 fois par semaine, avec un nettoyage de récupération hors ligne une fois par trimestre. Les membranes UF ont été remplacées après 7 ans de service, alors que la projection initiale était de 5 ans. Les économies réalisées par rapport au budget prévu pour les membranes UF se sont élevées à environ 58 000 dollars.
La turbidité de l’alimentation de l’unité d’UF varie considérablement car le MMF existant en amont assure une filtration grossière de l’eau du bassin tandis que le filtrat d’UF dépasse les spécifications d’alimentation de l’OI.
L’entretien de l’OI a compris des nettoyages trimestriels des membranes et le remplacement de quelques instruments, la reconstruction de quelques actionneurs de vannes et l’entretien standard des pompes au cours des 14 années de service. On estime qu’en moyenne 15 minutes par jour sont consacrées à la collecte de données et à l’entretien général.
Based on water sampling completed in March 2022 with original membranes operating for 12 years, water quality shown in Table 2. RO membranes were replaced in year 14 (February 2024) versus the original projection of 5 years. Le rechargement des membranes a nécessité 4 heures de travail au personnel de l’usine, en collaboration avec le soutien des équipementiers. Les économies réalisées grâce à la durée de vie de la membrane par rapport au budget sont d'environ 10 000 dollars.
L’analyse de rentabilisation du système permanent de traitement de l’eau a été un succès retentissant, dépassant ses prévisions initiales en offrant un simple retour sur investissement en seulement 1,52 ans, soit plus rapidement que les 1,8 ans prévus. Sur une période de 14 ans, le système a généré des économies de coûts d’exploitation de 4,9 millions de dollars pour les parties prenantes de la MMPA, principalement en éliminant les frais récurrents pour les remorques mobiles échangeuses d’ions. Au-delà des gains financiers, le projet a eu un impact positif significatif sur l’environnement et la sécurité. On estime qu’il a évité 25,000 milles de transport par semi-remorque, ce qui équivaut à une réduction de 37 tonnes métriques de CO2, tout en atténuant les risques critiques pour la sécurité associés au transport, à l’accumulation de glace et aux conditions météorologiques, ce qui n’a entraîné aucun accident enregistrable lié au système d’eau.
L’examen de toutes les données disponibles démontre que le projet a atteint ou dépassé le dossier d’investissement initial et qu’il a contribué à la réalisation des objectifs déclarés des parties prenantes, notamment la Minnesota Municipal Power Authority, la NAES Corporation, les villes membres, le conseil d’administration et la communauté de la MMPA. Le projet a été à la hauteur de son prix 2012 pour la meilleure conception de sa catégorie et a dépassé les attentes, offrant des avantages financiers et environnementaux essentiels aux parties prenantes de la MMPA.