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Les outils pour valoriser les calories

Des outils émergents permettent de revaloriser les rejets de chaleur à basse température. Avec 70 % de l'énergie industrielle consommée sous forme de calories, la mise en oeuvre de ces technologies pourrait révolutionner la conception des procédés industriels.

Capable de produire du chaud à partir de froid, la pompe à chaleur est utilisée, dans le bâtiment, pour chauffer l'eau en prélevant les calories de l'air extérieur. Toutefois, l'outil n'en est qu'à ses balbutiements. Il promet tout autant dans l'industrie, où des pompes à chaleur dites « très haute température » pourraient fabriquer du très chaud à partir du tiède.

« L'industrie produit beaucoup de rejets en dessous de 90 °C, mais il est rarement économique de les exploiter avec les techniques actuelles. Tout l'enjeu de ces dispositifs est de récupérer des sources à 60 ou 70 °C pour les porter à une température comprise entre 110° et 130 °C, voire au-delà », explique Laurent Levacher, directeur du laboratoire européen Ecleer. Cet institut réunit EDF R&D, Mines ParisTech et l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) pour conduire à maturité des outils de performance énergétique à fort potentiel. Sa « cible » favorite : les procédés agroalimentaires, grands adeptes de chauffage et refroidissements successifs, indispensables pour la chaîne de transformation des produits. Les fromageries Bel évaluent ainsi, avec l'appui de Mines ParisTech, la généralisation de pompes à chaleur haute température pour récupérer la chaleur des condensats de concentrateurs et effluents de lavage.

Des pompes à chaleur plus performantes

In fine, la démocratisation des pompes à chaleur industrielles dépend des plafonds de température et de la performance globale des pompes, qui ne cessent d'être repoussés. « Plus on est capable de monter haut en température, plus on touche les usages industriels, et donc plus on s'ouvre de possibilités de récupération », souligne Laurent Levacher. Certains constructeurs proposent d'ores et déjà dans leurs gammes commerciales des pompes montant à 110 °C. À titre de comparaison, les pompes à chaleur traditionnelles opèrent dans l'habitat entre une source d'eau ou d'air autour de 25 °C, pour délivrer un fluide dont la température est située entre 50 et 60 °C.

« Il n'y a aucun doute sur l'intérêt énergétique et économique de la pompe à chaleur dans l'industrie. Le temps de retour sur investissement a diminué d'un facteur 2,5 entre 2002 et aujourd'hui », note l'ancien directeur d'EDF R&D Yves Bamberger dans un document de synthèse consacré au rôle de l'électricité dans l'efficacité énergétique. Outre le retour d'expérience sur les pompes classiques, le mécanisme de base de ces appareils, qui repose sur des cycles de compression et de détente d'un fluide de travail, a été revu et adapté. Le choix de ce liquide est crucial : ses températures d'évaporation et de condensation déterminent les plages de fonctionnement de la pompe. Tout aussi cruciale est sa mise en oeuvre au sein d'un système compact, puisant les calories au travers d'échangeurs performants. Le projet Paco, financé par l'ANR, est révélateur de ces tendances. Son acteur principal, le fabricant Johnson Controls veut y développer un appareil capable de délivrer jusqu'à 130 °C en utilisant le fluide de travail le plus courant qui soit : l'eau.

La chasse aux calories ne s'arrête pas aux pompes à chaleur. Pour les gisements plus chauds, les « cycles organiques de Rankine », ou ORC, préparent également leur petite révolution. Bien connu des ingénieurs, le cycle de Rankine se retrouve notamment au coeur des machines à vapeur pour la production d'électricité. L'évaporation d'eau y entraîne une turbine.

Comme les pompes à chaleur, l'ORC a été réinventé. Objectif : récupérer les sources entre 150 et 300 °C. « Le cycle Rankine classique est idéal pour transformer la chaleur en électricité... pourvu que la température soit suffisamment haute pour obtenir une eau surchauffée. Le concept est pertinent dans les centrales thermiques, mais en dessous de 400 °C, le risque de condensation peut gripper la machine. Dans un ORC, on remplace l'eau par un fluide organique dont les caractéristiques physico-chimiques permettent de travailler sur des gammes de températures et sur des puissances bien inférieures, entre 50 kW et 3 MW », détaille Gilles David, le PDG d'Enertime.

De la vapeur surchauffée pour produire de l'électricité

La société parisienne s'est fait une spécialité des ORC. Elle a installé un premier module dans la fonderie FMGC à Soudan (Loire-Atlantique), en Pays-de-Loire (France). Baptisé Orchid, celui-ci convertit les « vents chauds » à 200 °C en sortie d'une chambre de combustion d'un cubilot. Cette chaleur, difficile à revaloriser sur le site, sert ainsi à produire quelque 5 000 MWh d'électricité par an dans le réseau interne de l'usine. Bénéfice collatéral : les tours aéro-réfrigérantes servant auparavant à la neutraliser ont pu être arrêtées.

À l'instar des pompes à chaleur, les ORC bénéficient d'une démocratisation des outils de thermodynamique. « Les logiciels de conception et de simulation de procédé sont toujours plus performants. Aujourd'hui, ils permettent à une équipe réduite d'ingénieurs motivés de concevoir ce type de machines innovantes, là où les grands turbiniers historiques comme Alstom ou Siemens ne voient pas encore un marché suffisant pour engager de tels développements », estime Gilles David. En quête de chaleur à valoriser, Enertime est aussi en discussion avec des cimenteries, comme un site suisse d'Holcim, ou des incinérateurs. L'ORC peut du reste convenir à des sources de chaleur plus modestes. Renault Trucks en développe une version « light » pour doper le rendement des moteurs de camions, quand les fabricants de bateaux envisagent leur incorporation sur les systèmes de propulsion.

« Malgré un rendement modéré, de l'ordre de 15 %, l'ORC peut s'avérer un très bon outil complémentaire. La production d'électricité est pertinente lorsque l'on n'a pas la possibilité de revaloriser la chaleur sur place ou à proximité. », souligne Laurent Levacher d'Ecleer. Également à l'étude mais plus émergent, le stockage de chaleur. Reposant sur des techniques comme les matériaux à changement de phase, il pourrait jouer le rôle de « tampon » pour revaloriser au moment opportun une chaleur récupérée.

L'analyse énergétique réinventée

Car c'est là toute la complexité de l'équation : si récupérer les rejets thermiques à basse température est un défi, pouvoir les revaloriser dans une équation économique qui tient la route en est un autre. « Avant de déployer ces outils, il faut pouvoir analyser son procédé dans sa globalité pour se demander : où sont mes gisements ? Où et quand puis-je revaloriser cette chaleur ? », explique Denis Clodic. Après vingt ans passés à la tête du Centre procédé et énergétique de l'École des mines de Paris, ce chercheur est un fervent promoteur des méthodes d'analyse en rupture avec l'approche énergétique traditionnelle des procédés.

« L'efficacité énergétique passe chaque « utilité » au crible : air comprimé, eau chaude, etc., avec l'idée sur chaque circuit d'optimiser les machines et de réduire les pertes. C'est une approche d'optimisation : on ne repense pas réellement la consommation. À l'inverse, l'analyse de type « énergétique » consiste à envisager le procédé dans sa globalité. Cette approche permet d'identifier des stratégies d'échange autrement ambitieuses entre différents points du procédé. »

Ce type d'approche systémique n'est pas vraiment nouveau. Dès 1974, « l'analyse de pincement » (Pinch analysis) a été développée pour la conception des complexes pétrochimiques. Devant les flux thermiques colossaux qu'ils mettaient en oeuvre, cette méthode permettait de placer judicieusement des échangeurs de chaleur au sein des procédés. « Aujourd'hui, avec l'intégration des enjeux énergétiques et climatiques dans la logique d'entreprise, cette méthode devient pertinente pour des industries dont la facture énergétique est plus mesurée », soutient Denis Clodic. Pour illustrer son propos, celui-ci donne ainsi l'image d'un procédé agroalimentaire où les matières premières entrent à température ambiante et les produits ressortent à température ambiante... Alors que la chaîne intermédiaire est une succession de montées et descentes en température. Ce n'est donc pas exactement un hasard si le laboratoire Ecleer a d'abord planché sur l'adaptation et la simplification de l'analyse éxergétique pour les besoins de l'agroalimentaire.

Des lignes pilotes pour tester la récupération de chaleur

« Les analyses de type exergétique sont provocatrices. Elles nous disent simplement : dans un monde idéal, je pourrais réaliser des économies d'énergie drastique. Maintenant, il faut évaluer la part de ces économies que l'on peut effectivement mettre en oeuvre sur les procédés existants ou sur la conception des nouvelles lignes de production », résume François Letissier, le directeur R&D de Bonduelle. Dans le cadre du programme Usine sobre, l'industriel a collaboré avec des partenaires académiques pour réexplorer de fond en comble les opérations de blanchiment et stérilisation de légumes, qui engloutissent 85 % de la consommation de ses usines. Fort de cet inventaire, l'industriel veut déployer une optimisation à deux vitesses. La première consiste à généraliser des dispositifs de récupération grâce aux techniques actuelles, avec une économie d'énergie de 5 à 10 %. La deuxième projette de reconfigurer une ligne pilote de blanchiment, en tirant parti d'outils émergents comme les pompes à chaleur haute température. L'objectif est plus ambitieux : 25 % d'économies énergétiques... de quoi abaisser de 1,5 MW la consommation d'un site de taille moyenne !

Même feuille de route chez Valenthin. Sous l'égide du pôle de compétitivité Axelera, ce programme veut créer une filière industrielle sur la récupération de chaleur à basse température, avec la participation d'Arkema et de GDF Suez. Là encore, pas question de déployer échangeurs, pompe à chaleur ou ORC sans avoir au préalable échafaudé un plan rigoureux. Sur les sites des industriels « cobayes », les chimistes Solvay et Bluestar Silicon et le groupe minier Rio Tinto, l'heure est à l'audit éxergétique. Les bénéfices de ces expérimentations sont loin d'être garantis. Et s'ils sont avérés, la reconfiguration des procédés industriels, synonyme d'investissements lourds, n'est pas pour demain. Mais c'est bien une petite révolution culturelle qui se jouera sur la conception de ces lignes pilotes.

L'analyse de pincement aide à traquer les joules

Longtemps réservée à la pétrochimie, l'analyse de pincement fait l'objet d'adaptations récentes à tous les procédés mettant en jeu des échanges thermiques. Elle consiste à confronter, par représentation graphique, les besoins globaux de froid et de chaud au sein du système. La comparaison des deux courbes permet de déterminer l'emplacement optimal des échangeurs de chaleur, de manière à dépenser l'énergie minimum requise pour fabriquer un produit. L'analyse s'applique à la modification de procédés existants aussi bien qu'à la conception de procédés nouveaux.

François Letissier, DIRECTEUR R&D DE BONDUELLE Jusqu'à 30 % d'économies grâce aux technologies émergentes

Engagé dans le programme Usine sobre, vous annoncez vouloir réduire jusqu'à 25 % la consommation d'une ligne pilote. Comment ? Nos partenaires d'Armines-ParisTech ont d'abord mené une analyse éxergétique sur nos activités. Cette démarche pose une question apparemment naïve : combien faut-il d'énergie, en théorie, pour transformer mes légumes ? La réponse est surprenante : seulement 30 à 40 % de l'énergie réellement dépensée. Le reste sert essentiellement à chauffer ou à refroidir l'air ambiant ou... l'acier inox de la ligne ! Donc, dans un monde idéal, une économie colossale peut-être réalisée. Comment passer de ce monde idéal à des économies ? Nous estimons que 20 à 30 % d'économies sont réalisables en recourant à des technologies émergentes. Nous allons tester d'ici 2015 une ligne pilote capable de revaloriser les eaux entre 50 et 90 °C issues du blanchiment des légumes. Les pompes à chaleur devront surmonter quelques défis comme la variabilité des débits ou la charge organique des fluides, cause d'encrassement. Cette démarche est-elle destinée à être généralisée au sein de vos usines ? Il est encore trop tôt pour le dire. Rien ne garantit que la ligne pilote portera toutes ses promesses. Nous faisons simplement le constat que les technologies évoluent rapidement : fluides frigorigènes, échangeurs innovants... Cela vaut la peine de regarder si nous pourrons en tirer parti. Car le potentiel est là : partout où l'on voit une tour aéro-réfrigérante, cela veut dire que l'usine est excédentaire en chaleur !

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