L’exploitation de la chaleur récupérée serait-elle arrivée à température ?

Toute cette chaleur, dite fatale parce qu’elle accompagne inévitablement tout processus industriel, a été pendant longtemps ignorée et considérée comme irrémédiablement perdue. Mais face au défi de la transition énergétique, ces pertes sont aujourd’hui devenues des gisements potentiellement exploitables.

La chaleur récupérée à la source

Deux grands principes sont possibles pour utiliser la chaleur fatale comme nouvelle source d’énergie. Le premier consiste à l’utiliser directement en la transportant vers un utilisateur potentiel. Par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur, la chaleur est transférée à d’autres fluides, procédés, stockages avec un changement possible du support énergétique : échangeur liquide/liquide (plaques), échangeur gaz/gaz (plaques, tubes) et échangeur gaz/liquide (à ailettes, caloduc). La chaleur collectée peut alors être utilisée pour le chauffage de locaux industriels ou de quartiers.

Des initiatives existent en ce sens dans la Grande Région. C’est notamment le cas à Belval où, depuis juin 2018, une installation valorise l’excédent de chaleur générée lors de la production de palplanches en acier sur le site d’ArcelorMittal. Un échangeur récupère les fumées qui sortent à environ 400°C du four et l’injecte dans le réseau de chauffage voisin, d’une longueur de 20 kilomètres, qui approvisionne tout le quartier de Belval ainsi que les quartiers Nonnewisen et Sommet, soit quelque 200 clients raccordés. La chaleur récupérée équivaut au besoin annuel de 4.000 maisons et permet d’éviter la consommation de l’équivalent de 1,6 million de litres de mazout par an.

Le problème est que cette valorisation ne peut répondre qu’à des besoins thermiques de proximité. Or de nombreux sites industriels peinent à trouver un débouché pour écouler leur chaleur fatale locale car ils ne disposent pas toujours d’un proche réseau de consommateurs. Quant aux possibilités de stockage, il existe certes des technologies comme le stockage par chaleur sensible, le stockage par chaleur latente ou le stockage thermochimique mais elles n’offrent qu’une durée de stockage limitée ou sont très complexes à mettre en place. Une autre solution consiste dès lors à transformer la chaleur en électricité, plus facilement transportable sur des distances plus longues, soit via des turbines à vapeur, soit via des machines ORC (Organic Rankine Cycle).

Les machines à Cycle Organique de Rankine (ORC)

Les machines à Cycle Organique de Rankine – du nom du physicien et ingénieur écossais William Rankine (1820-1872) qui fut l’un des pionniers de la thermodynamique – utilisent un fluide organique appelé fluide de travail (différent de l’eau, issu de la chimie du carbone) et sont constituées de 4 éléments principaux : un évaporateur, une turbine, un condenseur et une pompe pour faire circuler le fluide organique. Le fluide organique, qui circule en circuit fermé, est chauffé puis vaporisé à haute pression par la chaleur fatale. Cet échange d’énergie s’effectue dans l’évaporateur. Le fluide organique vaporisé se détend ensuite dans une turbine qui, associée à un alternateur, produit de l’électricité. Une fois détendu, le fluide à basse pression est refroidi dans un condenseur à l’aide d’une source froide, généralement de l’eau ou l’air ambiant.

Les machines ORC présentent plusieurs avantages. Elles permettent de valoriser la chaleur fatale à basse et moyenne température entre 80° et 350°C, soit dans les zones de température où se situent les plus gros gisements. Elles peuvent également être associées à une valorisation complémentaire de la chaleur résiduelle comme, par exemple, le chauffage des locaux à l’intérieur du site et maximiser ainsi le rendement global. Seul bémol : les investissements sont plus lourds que les réseaux de chaleur et les industries hésitent souvent à franchir le pas, surtout dans une période où le coût du baril de pétrole est très bas.

En dépit de tous ces obstacles, les projets de récupération de la chaleur fatale, que ce soit pour transférer de la chaleur ou produire de l’électricité, continuent à émerger. En France notamment, les réseaux de chaleur peuvent bénéficier d’aides publiques. La technologie des machines ORC connaît des avancées dans la mise au point de fluides organiques plus performants (frigorigène, mélange de fluides) mais aussi dans leur conception et leur fabrication.

En d’autres termes, l’exploitation de la chaleur fatale n’est pas encore arrivée à température mais elle en prend le bon chemin.

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Illustration : shutterstock