1. Contexte général
1.4. Récupération et valorisation de la chaleur fatale
Dans l’industrie, l’amélioration de l’efficacité énergétique passe par une étude de la « chaleur fatale », ou chaleur perdue par les procédés. La « chaleur fatale » est un gisement d’économies possibles et encore peu exploitée par les industriels. Récemment, un décret1
portant sur la valorisation d’énergie fatale montre l’engagement des pouvoirs publics sur la démarche de l’efficacité énergétique et de la valorisation de l’énergie fatale.
L’énergie fatale désigne la quantité d’énergie inéluctablement présente ou piégée dans un procédé ou produit, qui en partie, peut être récupérée. La « chaleur fatale » est générée lors du fonctionnement d’un procédé par l’énergie thermique qui n’est pas utilisée en totalité lors du processus de fabrication. Une partie de cette énergie est inévitablement rejetée dans l’environnement sous forme de chaleur à des températures plus ou moins importantes. Le niveau de température est une caractéristique importante dans la stratégie de valorisation de la chaleur fatale. Dans l’industrie, la chaleur fatale se trouve principalement sous trois formes de rejets : gazeux, liquides, ou diffus avec des niveaux de température s’échelonnant entre 30°C et 500°C.
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Décret n°1014-1363 du 16 novembre 2014.
En 2015, l’ADEME estime dans l’industrie française, un gisement à 51 TWh de « chaleur fatale », soit environ 16% de l’énergie fossile consommée par l’industrie (ADEME, (2015)).
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Ce gisement se concentre dans quatre grands secteurs d’activité : la chimie, les matériaux, l’agroalimentaire et les métaux.
Toutefois, il faut savoir que la chaleur fatale ne se retrouve pas seulement dans l’industrie. De façon générale, la chaleur fatale peut être issue de l’industrie, de la pétrochimie, des sites de production d’électricité, mais aussi de sites tertiaires tels que les hôpitaux ou les data center.
1.4.1. Qualité de la chaleur fatale
Evaluer la faisabilité de la récupération de chaleur fatale nécessite de caractériser les sources de chaleur qui pourraient être valorisées. Dans un premier temps, l’importance du flux de « chaleur fatale » doit être déterminé selon plusieurs critères : la quantité de chaleur, la température de rejet ou qualité, la composition, les heures de fonctionnement à savoir la disponibilité de la ressource (Figure 1.5). Une étude de ces paramètres permet de déterminer la stratégie de valorisation à mettre en place sur le procédé en fonction des besoins en énergie annexe avec une utilisation directe de la chaleur, ou un stockage par chaleur latente (Figure 1.6).
Figure I-5 Les avantages, inconvénients et technologies disponibles en fonction de la qualité du gisement de chaleur fatale étudiée (ADEME (2015)).
Le niveau de température auquel la chaleur est disponible dans le procédé conditionne donc la méthode de valorisation à mettre en œuvre. Dans tous les cas, l’énergie peut être récupérée soit sous forme de chaleur, soit sous forme d’énergie mécanique. Selon le niveau de
Sous quelles qualités?
Faible Moyenne Forte
30°C 100°C 200°C 500°C
- Faible efficacité de production d’énergie - Problème de condensation dans les fumées
- Large quantité disponible
- Compatible avec beaucoup d’échangeurs de chaleur
- Pratique pour la production d’énergie
- Haute qualité d’énergie - Efficacité importante dans le production d’énergie
- Augmente la contrainte thermique des matériaux
- Augmente la corrosion Avantages : Inconvénients : Avantages : Inconvénients : Avantages : Inconvénients : - Efficacité moyenne - Pertes irréductibles lors du transport
Technologies : Technologies : Technologies :
- Cycle Rankine Organique - Cogénération
- Pompe à chaleur
- Stockage ou transfert de la chaleur à un autre fluide - Stockage ou transfert de
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température de la source de chaleur disponible sur le site industriel et la nature du besoin, il est possible de récupérer la chaleur :
- par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur afin de transférer la chaleur à un autre fluide, un procédé ou la stocker ;
- par l’intermédiaire d’une pompe à chaleur. Cette méthode permet la récupération de la chaleur contenue dans des effluents à basse température pour un usage à un niveau de température supérieur. Actuellement, les pompes à chaleur permettent d’augmenter la température de la chaleur récupérée jusqu’à 80-90°C ;
- par une transformation de la chaleur en énergie mécanique ou électrique, par le biais d’un cycle thermodynamique comme par exemple le cycle organique de Rankine ; - par un stockage de l’énergie.
Figure I-6 Captage et valorisation de la chaleur fatale.
1.4.2. Valorisation de la chaleur fatale
Il existe de nombreuses technologies de valorisation de ces pertes énergétiques. Dans un premier temps, les échangeurs de chaleur se révèlent souvent indispensables dans la récupération de la « chaleur fatale ». Ensuite, la chaleur collectée par l’échangeur peut soit être intégrée directement au niveau du procédé de fabrication, soit être injectée dans un réseau de chaleur urbain ou industriel. Si aucune de ces solutions n’est envisageable, la chaleur collectée peut servir à l’alimentation d’une pompe à chaleur, à la production d’énergie mécanique, ou encore à la production d’électricité par le biais de cycles thermodynamiques. La valorisation électrique est une solution à envisager dans le cas où pour de multiples raisons, toute autre possibilité de valorisation par la chaleur n’a pu être réalisée. Cependant,
Rejets thermiques
Captage de la « chaleur fatale »
U
Procédé Echangeurs- liquide/liquide - gaz/gaz - gaz/liquide - à contact direct
- Par chaleur sensible (eau), accumulateur - Par chaleur latente
(Matériaux Changement de Phase) - Thermochimique
Exploitation directe Valorisation
Usage interne : Usage externe :
- Autres procédés
- Chauffage des locaux
- Préchauffage de flux de matière - Réseaux de chaleur - Serre Exploitation indirecte - Pompe à chaleur - Cycle thermodynamique Stockage - Energie mécanique - Energie électrique
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cette valorisation électrique nécessite des niveaux de températures relativement élevées (T > 150°C).
Figure I-7 Schéma d’un cycle organique de Rankine (ADEME (2015)).
L’utilisation des cycles organiques de Rankine sont des variantes des cycles d’eau à vapeur utilisés lorsque la source chaude à partir de laquelle on souhaite produire une puissance mécanique issue de qualité moyenne 100°𝐶 ≤ 𝑇 ≤ 300°𝐶. Dans ces cycles, un fluide condensable est refroidi à une température suffisamment basse pour qu’il soit entièrement liquéfié avant de passer dans une pompe pour être comprimé. Le liquide comprimé est vaporisé par la source chaude dans un échangeur de chaleur, puis détendu dans une turbine produisant un travail mécanique (Figure 1.7).
L’avantage de la transformation de la chaleur en électricité est un coût environnemental faible. Contrairement à la chaleur, l’électricité est un vecteur énergétique facile à transporter même sur de grandes distances. La limite est le coût d’investissement par rapport au gain attendu. L’objectif est d’arriver à un retour sur investissement inférieur à 10 ans.
Pour la chaleur fatale de faible qualité, 𝑇 < 100°𝐶, une valorisation peut être réalisée à partir d’une pompe à chaleur. Elle reste cependant encore très peu utilisée dans l’industrie. L’origine de la source froide au niveau du condenseur correspond à la chaleur fatale récupérée. La pompe à chaleur permet d’élever la température de la chaleur récupérée, et ainsi satisfaire des besoins en chaleur à des températures plus élevées. La pompe à chaleur prélève la chaleur à une source froide au niveau de l’évaporateur afin de vaporiser le fluide frigorigène. Ensuite, un compresseur permet d’élever la pression et la température du fluide frigorigène en le comprimant. Enfin, le fluide frigorigène libère sa chaleur dans le condenseur en passant de l’état gazeux à l’état liquide avant d’être détendu par un réducteur de pression (Figure 1.8). Générateur de vapeur Condenseur Pompe Turbine Générateur électrique Source chaude Source Froide
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Figure I-8 Schéma d’un circuit de pompe à chaleur (ADEME (2015)).
1.4.3. Chaleur dite de « Qualité moyenne »
Même si l’industrie ne représente que 21% de la consommation d’énergie dans l’hexagone, elle reste aussi un secteur innovant en matière d’efficacité énergétique. La récupération de la chaleur fatale dans l’industrie conduit à exploiter un nouveau potentiel en matière d’innovation et d’économie industrielle. Comme nous avons pu le constater, les technologies de valorisation de la chaleur fatale sont multiples et dépendent principalement de la « qualité » de la chaleur. Généralement, la chaleur dite de haute qualité, est déjà récupérée au sein du procédé et la chaleur de qualité inférieure est rejetée dans l’environnement.
Pourtant, la pertinence économique de récupérer ces pertes énergétiques de basse température a évolué. En effet, le coût de l’énergie est de plus en plus élevé et la demande énergétique de plus en plus importante. Selon l’ADEME, plus de 50% du gisement de chaleur fatale se situe entre 100 et 200°C.