Décarbonation : la chaleur s’optimise sur toute la chaîne de production

Avec environ 69% de la consommation énergétique de l’industrie française dévolue aux procédés thermiques, selon l’Alliance industrielle pour la compétitivité et l’efficacité énergétique (Allice), la chaleur représente le premier domaine dans lequel agir pour des industriels en quête de décarbonation. Production, gestion, récupération, stockage… Toutes les facettes de la chaleur font l’objet d’une intense R&D. Côté production, outre l’usage de carburants alternatifs, l’amélioration de l’efficacité de la combustion est un enjeu crucial.

L’oxycombustion, développée depuis les années 1990 pour la verrerie et la métallurgie, est une piste de choix. Air liquide, qui en est spécialiste, entend lui donner un nouveau souffle. Le procédé consiste à remplacer le comburant qu’est l’air par de l’oxygène pur. À la clé, une température de flamme beaucoup plus élevée pour chauffer la matière plus efficacement. Cela permet de «réduire jusqu’à 30% la consommation de combustible et de diminuer les émissions polluantes: jusqu’à 30% pour le CO2 et 90% pour les oxydes d’azote», chiffre Guillaume de Smedt, le directeur adjoint du développement durable d’Air liquide.

Cette technologie a également l’intérêt de faciliter la séparation et le captage ultérieurs du dioxyde de carbone, car «les fumées dégagées par l’oxycombustion sont constituées de vapeur d’eau et de CO2 concentré à plus de 80%». L’adopter demande aux industriels de repenser leurs fours en installant des brûleurs à oxygène. «Les demandes augmentent, notamment dans les secteurs difficiles à décarboner tels que la cimenterie», constate Guillaume de Smedt.

Électrifier les procédés thermiques

Électrifier les procédés thermiques est un autre enjeu majeur et les micro-ondes peuvent faire valoir leurs atouts. «Le chauffage par micro-ondes est rapide, efficace et évite l’inertie et le préchauffage, résume Alexandre Thillier, le directeur R&D industrie alimentaire de Sairem, un spécialiste des équipements à micro-ondes. L’énergie est transmise directement au produit, contrairement à un process traditionnel dont la chaleur se propage dans l’air, puis dans le produit. De quoi économiser, par exemple, près de 50% d’énergie pour la pasteurisation d’aliments.»

Le chauffage par micro-ondes est rapide, efficace et évite l’inertie et le préchauffage. De quoi économiser près de 50% d’énergie pour la pasteurisation d’aliments.

—  Alexandre Thillier, directeur R&D industrie alimentaire de Sairem

Ce procédé n’est cependant pas la panacée. Souvent plus coûteux, il n’est en outre pas adapté à toutes les applications de chauffage et ses gains sont à relativiser. «Le rendement énergétique est meilleur, mais il faut refroidir le générateur avec de l’eau», relève Sébastien Curet-Ploquin, professeur en génie des procédés à l’Oniris (École nationale vétérinaire, agroalimentaire et de l’alimentation de Nantes-Atlantique).

Reste que les technologies progressent. Sairem et le laboratoire Gepea (Génie des procédés environnement et agroalimentaire) développent un générateur de micro-ondes à l’état solide (aussi dit à semi-conducteurs) venant concurrencer le magnétron, technologie de référence, notamment dans les fours ménagers. Malgré un coût encore important, Alexandre Thillier y voit le micro-ondes du futur: «Le signal de ce générateur est stable, étroit, à fréquence variable. Il permet une grande maîtrise et une souplesse dans la variation de puissance.»

Rentabiliser les échanges de chaleur

À l’autre bout de la chaîne, la chaleur dite fatale, perdue dans les procédés industriels, est identifiée depuis longtemps comme une ressource majeure d’efficacité énergétique. «La récupérer devient un véritable axe de travail dans le contexte énergétique actuel», estime Christophe Debard, le président d’Allice. Des innovations visent à s’attaquer aux quelque 50% du gisement de chaleur fatale dont la température est trop basse (inférieure à 100°C) pour être directement valorisable par les industriels.

À la manœuvre, des pompes à chaleur (PAC) capables d’en tirer parti pour générer de la chaleur à haute température. «Un cap technologique a été franchi sur les capacités des PAC à monter en température. Il y a dix ans, nous réfléchissions rarement à aller au-delà de 60°C, alors qu’aujourd’hui, nous visons rapidement 100°C et n’excluons pas 140, voire 160°C», observe Pierre Richard, ingénieur chargé d’affaires en énergie au Centre technique des industries aérauliques et thermiques (Cetiat).

L’apparition de nouvelles générations de fluides frigorigènes à base d’hydrofluoro-oléfines (HFO) ainsi qu’un travail sur les lubrifiants et les compresseurs ont permis de lever les freins existants. Reste les contraintes liées aux principes thermodynamiques qui régissent ces machines. Leur rendement (ratio de l’énergie thermique produite sur l’énergie électrique consommée) – ou coefficient de performance (COP) – diminue lorsque l’écart augmente entre les températures d’évaporation et de condensation du fluide frigorigène. «Cela affecte la rentabilité économique des dispositifs à haute température, notamment par rapport aux solutions au gaz naturel. Mais les enjeux de décarbonation poussent les industriels à élargir leur choix», estime Pierre Richard.

Un démonstrateur de pompe à chaleur à 140°C

EDF est très impliqué dans les pompes à chaleur industrielles. Dans le cadre du projet TransPAC, le groupe travaille depuis dix ans avec le Centre efficacité énergétique des systèmes (CES) de Mines Paris et Armines au développement d’une PAC transcritique à très haute température. Cette solution utilise un fluide frigorigène de type HFO à très faible potentiel de réchauffement global (GWP) et un lubrifiant spécifique. Dans la partie chaude, le fluide dépasse son point critique et se refroidit progressivement sans plateau de condensation, améliorant les échanges thermiques avec l’air, qui est réchauffé de 90 à 150°C. Les premiers prototypes ont atteint un COP de 4.

William Beaucardet / EDF

Le projet TransPAC vise la réalisation d’une pompe à chaleur transcritique portant le circuit d’air à très haute température afin de l’injecter dans un sécheur. © William Beaucardet / EDF

Appliqué à la valorisation de la chaleur fatale des buées de séchage pour réchauffer l’air entrant dans les sécheurs, le projet doit se concrétiser au premier semestre 2023 par la mise en place d’un démonstrateur de 585 kilowatts (kW) à 140°C sur le site du papetier Wepa, à Château-Thierry (Aisne). «L’objectif est d’effacer plus de 1000 tonnes de CO2 par an sur cette usine, en substitution des 5 gigawattheures fournis jusqu’à présent par une chaudière à gaz», précise Clément Gachot, chef de projet décarbonation à la R&D d’EDF.

L’énergéticien travaille également, au sein du projet européen Bamboo, à l’élaboration d’une solution de pompe à chaleur capable de récupérer la chaleur fatale des stockages de condensats à 80°C pour générer de la vapeur à plus de 150°C. Un prototype est testé sur un procédé de laminage à froid d’ArcelorMittal. «Il s’agit de répondre à un réel besoin des industriels de produire de la vapeur bas carbone», poursuit l’expert d’EDF.

Les industriels français à l’œuvre

D’autres sociétés s’intéressent à ce domaine. Johnson Controls a collaboré avec EDF entre 2010 et 2016, notamment sur un démonstrateur utilisant l’eau comme fluide frigorigène pour émettre de la chaleur jusqu’à 140°C, en partant de 90°C. La start-up Airthium développe quant à elle une technologie de PAC capable de monter jusqu’à 550°C à partir d’une source froide.

Notre innovation repose sur une compression quasi isotherme rapide et sur un design sans joints glissants ni tournants.

—  Franck Lahaye, cofondateur d’Airthium

«Notre innovation repose d’une part sur une compression quasi isotherme rapide qui assure à notre procédé un rendement énergétique supérieur à l’état de l’art, d’autre part sur son design sans joints glissants ni tournants, synonyme de grande fiabilité», souligne Franck Lahaye, l’un des cofondateurs d’Airthium. Après avoir testé la tête de compression, la start-up assemble un système complet de 1 kW chauffant à 250°C et envisage un premier démonstrateur industriel de 100 kW en 2024. Cette pompe à chaleur utilisant un moteur Stirling pourra aussi, à terme, produire de l’électricité à partir de chaleur.

Spécialisé sur la récupération de chaleur fatale dans l’industrie, Enertime se concentre depuis trois ans sur les systèmes à très haute température et forte puissance. «Nous voulons proposer des solutions d’électrification performantes pour la production de vapeur industrielle en remplacement du gaz», explique Gilles David, son président.

Dans le cadre projet européen Push2heat, la société a conçu une PAC vapeur de 2,8 mégawatts (MW) et 140°C pour le sécheur d’une papeterie italienne. «Pour atteindre cette température, nous avons élaboré un compresseur à deux étages, monté sur palier magnétique. La pompe à chaleur aura un coefficient de performance de 3,5. Elle utilise un fluide frigorigène de quatrième génération à faible potentiel de réchauffement global», détaille-t-il.

La piste des machines à cycle organique de Rankine

Les machines à cycle organique de Rankine (ORC) représentent une autre solution pour valoriser la chaleur fatale, sous forme d’électricité. Leur rendement reste cependant limité (10% à 120°C, 25% à 300°C) et le Cetiat recommande, dans une logique technico-économique, de n’y recourir que lorsque la réutilisation directe de la chaleur n’est plus possible.

Enertime conçoit et fabrique de telles machines de forte puissance et compte déjà neuf unités installées. Soutenu par le projet européen Décagone, il construira d’ici à 2026 un ORC de 1,5 MW et 250°C pour une aciérie tchèque. Sa nouvelle turbine hermétique sur palier magnétique améliorera la sécurité et la fiabilité du système. En France, la société est associée au montage de nouveaux projets industriels.

Le verrier Verallia vise un gain énergétique de 10% dans son usine de Lagnieu (Ain), en 2024, alors que Recytech, spécialiste du recyclage de poussières d’aciérie à Fouquières-lès-Lens (Pas-de-Calais), envisage par ce biais l’autoconsommation électrique de son site. Enfin, sur ce créneau, la société Cixten se démarque avec une technologie innovante de machine thermique reposant sur les propriétés du CO2 supercritique qui produit de l’électricité à partir de chaleur fatale dès 60°C.

Marion Bouche et Alexandra Delmolino