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25 février 2013
Valoriser la chaleur fatale dans les procédés industriels grâce à la technologie du Cycle Organique de Rankine

L'énergie la moins chère est celle que l'on ne gaspille pas. Le débat qui s'ouvre actuellement sur les moyens de la transition énergétique, met en avant le développement des technologies de l'efficacité énergétique, qui seront innovantes tout en étant économiquement pertinentes. Une des technologies déjà éprouvées et parmi les plus prometteuses pour la réduction des consommations des sites industriels est celle des ORC.

L'Ademe a publié en novembre 2012 sa contribution à l'élaboration de la vision énergétique pour la France 2030-2050. Pour l'Ademe, l'industrie française qui consomme environ 24% de l'énergie finale du pays doit pouvoir réduire sa consommation de 9,2% à l'horizon 2030. A production équivalente, cette réduction correspond à une amélioration de 19,6% de l'efficacité énergétique des procédés industriels. L'Ademe nous apprend également qu'environ 17% de la consommation de combustible dans l'industrie est perdue en chaleur fatale à plus de 100°C. C'est cette chaleur fatale qui est la raison d'être des ORC.

La récupération de chaleur, un intérêt renouvelé

Si une partie de cette chaleur est valorisable dans des réseaux de chaleur pour répondre à des besoins thermiques de proximité, la majorité de l'énergie disponible n'est pas utilisable localement faute de consommateurs. En revanche, elle peut être transformée en électricité pour être consommée sur place ou exportée à coût environnemental nul et à des prix compétitifs vis-à-vis de toutes les solutions de production d'électricité additionnelles.

Ce principe était utilisé autrefois dans les verreries ou dans les centrales à moteur diesel par exemple, où l'échappement des fours ou des moteurs, suffisamment chaud pour surchauffer la vapeur, alimentait des turbines à vapeur qui fournissaient l'électricité aux usines ou amélioraient le rendement des moteurs.

Avec l'ère de l'énergie bon marché, l'augmentation du coût de la maintenance, l'amélioration du rendement des procédés qui réduisent la température des fumées et enfin la difficulté d'exploitation et le coût des petites turbines à vapeur, ces turbines se sont un jour arrêtées et n'ont jamais été redémarrées.

En même temps, l'industrie électromécanique européenne s'est fortement concentrée en abandonnant le marché des centrales industrielles. Des turbines à vapeur de ce type s'installent encore en Inde ou en Chine. Dans ces pays, les usines sont de très grande capacité, le capital est cher, les coûts d'exploitation et de maintenance sont réduits et les procédés industriels relativement peu efficaces génèrent encore des émissions très chaudes qui permettent de justifier les cycles à vapeur.

Il n'est par contre plus question aujourd'hui de réinstaller des turbines à vapeur en récupération de chaleur, dans les usines européennes. Les machines thermodynamiques ORC remplacent avantageusement ces turbines.

Le Cycle Organique de Rankine, une solution adaptée au contexte actuel

Les machines à Cycle Organique de Rankine ou ORC sont aux machines à vapeur ce que les éoliennes sont aux moulins à vent, la technologie de valorisation électrique de la chaleur du XXIème siècle. Basées sur les mêmes principes thermodynamiques du cycle de Rankine (Rankine, un savant écossais du 19ème siècle, disciple de Carnot) que les cycles vapeur, elles emploient un fluide organique (différent de l'eau, issu de la chimie du carbone), qui en circulant en cycle fermé récupère la chaleur perdue sur un échangeur, se vaporise puis se détend dans une turbine/détendeur associé(e) à un alternateur, transformant ainsi l'énergie thermique en électricité. Cette technologie développée à l'origine pour les sites isolés puis pour la géothermie est déployée depuis 30 ans et a largement fait ses preuves avec  plus de 1 500 MW de puissance installée.

Les solutions ORC sont incontournables dès que la source de chaleur est à une température inférieure à 250°C. Dans tous les cas, elles sont moins chères que les solutions vapeur pour des puissances jusqu'à 3 MW. Elles sont aussi beaucoup plus fiables de par la nature des fluides utilisés, sont entièrement automatisées, nécessitent peu de supervision et ont des plages de fonctionnement très larges. La multitude des fluides disponibles permet de construire des modules adaptés à la valorisation de chaleur à partir de 80°C jusqu'à 350°C et demain au-delà.

   
Module ORC de Enertime installé en récupération de chaleur sur un cubilot de fonderie
   

Dans cette gamme de température, les ORC atteignent des rendements meilleurs que ceux offerts par les cycles vapeur de même taille (typiquement de 10% à 20% net des auxiliaires, en fonction des températures récupérées). Ils sont injustement critiqués pour leur faible rendement. Cette critique n'est pas  fondée, la faisabilité économique d'un projet de récupération de chaleur perdue n'est jamais liée au rendement du projet mais uniquement à la compétitivité du MWh produit. Ainsi, un module ORC installé en récupération de chaleur sur un cubilot de fonderie réduit d'un tiers la consommation électrique de la fonderie en produisant une électricité sans émission de CO2 additionnelle et à un coût inférieur au coût de production d'un EPR, sans même tenir compte des coûts et pertes évitées, liés au transport de l'électricité.

Aujourd'hui, les avancées en matière de fluides organiques (frigorigènes, mélange de fluides) et les progrès dans la conception et la fabrication de machines tournantes permettent à de jeunes sociétés innovantes de se lancer dans l'aventure en concevant et fabricant en France des machines industrielles pour le marché français et bientôt pour le marché international, où les opportunités pour installer des ORC se comptent en dizaines de milliers de MW dans la géothermie, la récupération de chaleur fatale ou la petite cogénération biomasse.

 

Des mesures d'incitation nécessaires et justes

Ces jeunes entreprises existent, elles sont compétitives tout en produisant en France, leur technologie est validée, elles ont simplement besoin d'un petit coup de pouce qui les mettra sur l'orbite du succès, en France d'abord, et rapidement à l'international, où aucune entreprise ne peut prétendre aujourd'hui être en position forte sur le marché de la récupération de chaleur fatale.

Par ailleurs, en aidant à équiper les industriels installés en France qui sont très consommateurs d'énergie, on pérenniserait leurs usines françaises en les protégeant contre une augmentation inévitable du prix de l'électricité.

Cette aide est nécessaire et justifiable économiquement car l'électricité qu'achètent les industriels a un coût qui ne reflète pas les coûts de production des centrales nouvellement raccordées au réseau et encore moins ceux des centrales produisant de l'énergie sans CO2 comme l'EPR, sans parler des éoliennes off-shore. Le prix de l'électricité est un prix moyen qui reflète la moyenne des coûts de production de toutes les centrales du réseau, y compris les centrales nucléaires du palier 900 MW ou les aménagements hydroélectriques, déjà largement amortis. A minima, on devrait accorder à ces nouvelles un tarif de rachat équivalent au coût du MWh produit par une centrale neuve de référence comme l'EPR.

Le mécanisme d'aide peut concerner les Certificats d'Economie d'Energie, une aide à l'investissement similaire au fond chaleur de l'Ademe ou un tarif de rachat.

L'enjeu se compte en centaines de MWe en France et à terme en milliers d'emplois et milliards d'euros à l'exportation. Cela peut sembler peu à certains, mais c'est pourtant triplement vertueux : pour la maîtrise des émissions de CO2, la compétitivité des sites concernés et le développement d'une filière innovante créatrice d'emplois en France et fortement exportatrice.

Avis d'expert proposé par Gilles David, Président de la société ENERTIME

 

Pour lire l'article dans son contexte d'origine :

http://www.actu-environnement.com/ae/news/gilles-david-chaleur-fatale-cy...