Nous suivre Industrie Techno

Valoriser les watts perdus

RIDHA LOUKIL rloukil@industrie-technologies.com

Sujets relatifs :

Fumées de combustion, fluides de refroidissement, effluents divers... Les sources d'énergie perdue dans l'industrie sont nombreuses. Après les gisements les plus simples, la récupération s'attaque maintenant aux sources à basse température, comme les data centers, ou plus complexes comme les moteurs à explosion. Les développements s'annoncent prometteurs avec la perspective d'économies d'énergie énormes.

La fonderie de FMGC à Soudan (Loire-Atlantique) se targue d'être à la pointe de l'efficacité énergétique. Non contente d'avoir optimisé ses procédés, elle veut transformer aussi la chaleur résiduelle de ses fumées en électricité. Aujourd'hui, ces fumées, qui sortent à 200 °C du cubilot, sont traitées et refroidies avant d'être rejetées dans l'atmosphère. Ce qui entraîne une double perte d'énergie : celle des fumées et celle du refroidissement. À l'aide d'une machine thermodynamique à cycle organique de Rankine, développée par la start-up Enertime, une partie de la chaleur des fumées sera récupérée sous forme d'électricité. Le procédé, qui devrait être opérationnel en juin 2012, générera 1 MW électrique vendu à EDF.

Exploiter des sources d'énergie complexes

Ce projet témoigne de l'énorme potentiel de valorisation d'énergie fatale dans l'industrie. Dans les secteurs énergivores (fonderie, sidérurgie, chimie, raffinage de pétrole, papeterie, agroalimentaire...), les usines ont depuis longtemps mis en place des solutions de récupération. « Mais ces actions se sont jusqu'ici limitées aux gisements les plus simples à exploiter, rappelle Jean-Philippe Trident Bel, responsable énergie et environnement au cabinet Alcimed. Aujourd'hui, du fait du renchérissement du coût de l'énergie et de la montée des préoccupations environnementales, on s'attaque aussi aux effluents à basse température et aux sources complexes, plus difficiles à valoriser. »

L'usine de L'Oréal à Vichy illustre cette tendance. En plus des gaz de combustion des chaudières de production de vapeur, elle exploite les deux sources à basse température disponibles sur le site pour chauffer l'eau nécessaire au lavage des cuves. D'abord, les effluents liquides de 30 à 50 °C pour porter la température de l'eau de 15 à 40 °C. Ensuite, l'eau de refroidissement des compresseurs d'air à 60 °C pour monter à 50 °C. Enfin les gaz de combustion à 180 °C pour atteindre la température de 60 °C requise par le nettoyage. Grâce à cette triple récupération, mise en place avec l'aide d'EDF Optimal Solutions, 35 000 m3 d'eau sont chauffés par an, générant une économie de 2 000 MWh par an de gaz et de 410 tonnes par an de CO2.

Mais toutes les entreprises n'ont pas la chance de L'Oréal de disposer d'une source à haute température. « Pour exploiter les sources de chaleur à basse température, on est souvent obligé d'utiliser une pompe à chaleur, et donc de dépenser de l'énergie, pour élever la température au niveau requis par l'utilisation, explique Eva Rendek, chargée d'étude au Centre techniques des industries aérauliques et thermiques (Cetiat), à Lyon. Seulement voilà : la pompe à chaleur se limite à une plage de 80 à 90 °C, alors que de nombreux process réclament 100, voire 150 °C. »

Repousser cette limite a été l'un des objectifs du projet de recherche AlterEco. Labellisé par le pôle de compétitivité Axelera, il a mobilisé pendant trois ans treize partenaires, dont Arkema, Danfoss, EDF, Rhodia, le CEA-Liten et le Cetiat. Il s'est achevé en octobre 2011 par le développement d'une pompe de chaleur capable de monter à 140 °C. De quoi ouvrir la voie à la valorisation de 22 TWh/an de chaleur fatale, soit plus de la moitié des rejets thermiques à basse température de l'industrie en France. Ce prototype subit actuellement les derniers tests de validation au centre de recherches d'EDF des Renardières.

Se passer des pompes à chaleur

Le risque d'encrassement des échangeurs de chaleur constitue un autre obstacle technique à la récupération de chaleur. « Les effluents industriels sont souvent chargés d'éléments agressifs. Les traiter avant de les passer dans l'échangeur de chaleur rendrait l'opération de récupération non rentable », note Eva Rendek, du Cetiat. Aussi chercheurs et industriels, tentent-ils de comprendre le phénomène d'encrassement pour apprendre à le maîtriser.

Dans les data centers, la récupération de l'énergie dissipée par les équipements informatiques se heurte à un double problème. La température de l'air chaud, évacuée aujourd'hui dans l'atmosphère, est trop basse. Elle varie aussi en fonction des sollicitations des serveurs. « Aujourd'hui, seule une infime partie sert à chauffer les bureaux du data center. Le reste ne peut pas être valorisé », regrette Jean-Marc Arlot, directeur général adjoint d'ETDE, un équipementier de data centers. C'est pourquoi, le chauffage urbain que Dalkia est en train de réaliser à Val d'Europe récupère, non pas la chaleur émise par les matériels informatiques, mais celle dégagée par les groupes de refroidissement. Et pour se passer de pompe de chaleur, l'astuce consiste à forcer le régime des groupes de froid de façon à ce que la chaleur qu'ils dégagent soit suffisamment élevée pour chauffer l'eau à 55 °C.

Mais cette limite sera bientôt du passé. Fujitsu a inventé un procédé de récupération thermique qui s'accommode de température à la fois basse et variable. Cette technologie combine deux innovations. La première réside dans un matériau qui absorbe la chaleur à une température de 55 °C, alors que les solutions actuelles réclament une température supérieure à 65 °C. La seconde consiste en un dispositif de régulation qui maintient constante la température de d'eau de refroidissement en sortie des serveurs en ajustant le débit d'eau à la charge de traitement. L'énergie ainsi récupérée sert à produire de l'eau glacée pour le circuit de refroidissement. De quoi, selon Fujitsu, réduire de 20 % la consommation électrique du système de climatisation qui représente 40 % de l'énergie absorbée par les data centers. Cette technologie pourrait être déployée dès 2014.

Convertir la chaleur en électricité

Autre axe prometteur de développement : la conversion de la chaleur en électricité. Elle s'impose sur les sites n'utilisant pas l'énergie thermique. C'est aussi le passage obligé pour les moteurs à explosion de groupes électrogènes, bateaux, camions ou voitures. Seul un tiers de l'énergie calorique du carburant qu'ils consomment est transformé en énergie mécanique. Les deux autres tiers sont perdus pour une moitié dans les gaz d'échappement et pour l'autre moitié dans l'eau de refroidissement. Trois pistes de récupération sont à l'étude : conversion thermodynamique à cycle organique de Rankine, conversion thermodynamique à cycle Stirling, et thermopile. Des prototypes existent déjà chez Honda, BMW ou Renault.

Selon Pierre Leduc, chef de projet de récupération d'énergie à l'IFP Énergies nouvelles, c'est la solution thermodynamique à cycle de Rankine qui semble la plus mature. C'est la centrale électrique d'EDF à une échelle plus petite. Mais au lieu de l'eau, elle utilise un fluide organique tel que l'éthanol ou les HFC. Les enjeux résident principalement dans la miniaturisation et la réduction des coûts. L'objectif est d'aboutir à des dispositifs de 50 à 100 kg fournissant 1 à 5 kW d'électricité et coûtant moins de 500 euros. Ils sont attendus sur le marché dans 3 à 5 ans. Leur utilisation réduirait la consommation de carburant de 10 %. Avec l'amélioration du rendement, le gain devrait doubler d'ici 10 à 15 ans.

En attendant cette perspective, les constructeurs automobiles équipent déjà certains de leurs véhicules de système de récupération d'énergie cinétique lors des décélérations et des freinages. À la clé, une économie sur la consommation de carburant atteignant 10 %. Et on pense à récupérer l'énergie des amortisseurs, des chocs des pneus ou encore du vent créé par le passage des véhicules sur autoroutes. Autant dire que les idées de récupération foisonnent. Reste à les concrétiser.

RÉCUP

22 TWh/an d'énergie pourraient être récupérés dans les rejets thermiques de l'industrie française (source : Cetiat).

UNE MULTITUDE DE GISEMENTS

1. L'ÉNERGIE THERMIQUE Chaleur contenue dans les fumées, vapeurs, effluents, eaux usées ou air des data centers. Chaleur dégagée par les groupes de ventilation, de climatisation, de compression d'air ou de production de froid. Elle représente jusqu'à 80 % de leur consommation d'électricité. Chaleur évacuée par les moteurs à explosion dans les gaz d'échappement et l'eau de refroidissement. Elle constitue les deux tiers de l'énergie calorique du carburant consommé. 2. L'ÉNERGIE CINÉTIQUE Énergie générée lors des freinages de voiture, camion, train ou tramway, et dissipée dans les disques des freins. Elle représente environ 10 % de la consommation de carburant. Énergie produite par les ascenseurs lors des freinages, des montées à faible charge ou des descentes à forte charge. Elle représente jusqu'à 75 % de leur consommation d'électricité. Énergie des déplacements d'air provoqués par le passage de poids lourds sur autoroute ou de trains sur voie ferrée.

Un réseau de chauffage urbain alimenté par un data center

Exploiter l'énergie fatale dans un data center pour un réseau de chauffage urbain : tel est le projet mené par Dalkia, sur le parc d'entreprises Paris-Val d'Europe, avec le soutien de l'Ademe et d'acteurs territoriaux. La chaleur dégagée par les groupes de froid, utilisés pour rafraîchir le data center de la banque Natixis, est habituellement perdue. Elle est récupérée sous la forme d'air chaud dans un échangeur pour chauffer de l'eau à 55 °C qui est ensuite distribuée aux bâtiments via un réseau de canalisations de 5 km. L'énergie ainsi récupérée atteint 26 000 MWh/an. De quoi chauffer 600 000 m2 de bâtiments tertiaires et administratifs du Parc, dont ceux d'Eurodisney, évitant ainsi l'émission de 5 400 tonnes de CO2 par an. L'investissement, qui comprend des échangeurs de chaleur, des pompes et le réseau de distribution, se monte à 7 millions d'euros. Par rapport au chauffage au gaz, cette solution apporte un gain financier de 5 %. De quoi amortir le projet en 24 ans. Cette chaufferie devrait entrer en service début 2012.

LES GAINS EN CHIFFRES

Énergie récupérée : 26 000 MWh/an 5 400 tonnes de CO2/an évitées Chauffage de 600 000 m2 de bâtiment

Le vent des camions transformé en électricité

cAu bord de l'autoroute (A6), au niveau d'Auxerre,une éolienne de 2 kWrécupère l'énergie des déplacements d'air, créés par le passage incessant de 7 000 poids lourds par jour. Ce prototype de 2 x 2 m est développé par Cita Productions, une PMI familiale de chaudronnerie pour le nucléaire, avec l'aide du centre technique des industries mécaniques (Cetim). Depuis octobre, les tests visent à en optimiser les paramètres. Si l'expérimentation s'avère concluante, la société d'autoroutes APPR envisage l'installation d'une trentaine de ce type de machines sur son réseau. Réparties tous les 10 à 15 km, elles compléteront les panneaux solaires pour l'alimentation en électricité des équipements électroniques disposés le long des autoroutes (panneaux de signalisation, caméras, stations de comptage, stations météo...), sans avoir à tirer des câbles électriques.

Associez-vous pour valoriser votre énergie fatale

L'un des obstacles à la valorisation de l'énergie fatale est l'absence d'utilisation sur site. D'où l'idée d'envisager l'opération à l'échelle d'un territoire. C'est l'objet d'Ancre (Alliance nationale de coordination de la recherche pour l'énergie). Fondée en 2009, elle associe une vingtaine d'organismes de recherche dont le CEA, le CNRS, l'IFP Énergies nouvelles et le CSTB, et des industriels tels que Areva, EDF, GDF Suez ou Dalkia. Objectif : favoriser la valorisation d'énergie intersites par exemple l'utilisation de la chaleur des groupes de froid d'une usine de surgelés dans l'usine de séchage de thé située à côté.

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°0940

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2012 d'Industries & Technologies

Bienvenue !

Vous êtes désormais inscrits. Vous recevrez prochainement notre newsletter hebdomadaire Industrie & Technologies

Nous vous recommandons

[Pas à pas] Comment tirer parti de la réalité augmentée dans votre usine

[Pas à pas] Comment tirer parti de la réalité augmentée dans votre usine

Profitant des formidables progrès de l'informatique embarquée et de l'essor de l'usine 4.0, les exemples d'applications[…]

INNOVATION À TOUS LES ÉTAGES

Dossiers

INNOVATION À TOUS LES ÉTAGES

« Bâtiments intelligents : il faut placer l'utilisateur au centre », Olivier Cottet, Schneider Electric

Interview

« Bâtiments intelligents : il faut placer l'utilisateur au centre », Olivier Cottet, Schneider Electric

Bâtiments intelligents : des économies du sol au plafond

Bâtiments intelligents : des économies du sol au plafond

Plus d'articles