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De l'électricité à partir de la chaleur industrielle perdue

Dans l'UE des 28, le secteur industriel représente près du quart de la consommation d'énergie et un cinquième des émissions de gaz à effet de serre. Un projet financé par l'Union européenne a travaillé sur les technologies qui permettraient d'utiliser plus efficacement la chaleur perdue de ce secteur.
De l'électricité à partir de la chaleur industrielle perdue
La technologie du cycle organique de Rankine (ORC, pour Organic Rankine Cycle) qui récupère le surplus de chaleur à faible température nous permettrait d'atteindre les objectifs 20-20-20 de l'Union européenne (20 % de réduction des gaz à effet de serre, 20 % d'accroissement de notre efficacité énergétique, 20 % de notre énergie provenant des énergies renouvelables) d'ici 2020. Néanmoins, la technologie existante n'aborde pas la question des petites différences de température rapportées à l'air ambiant. Le projet LOVE («Low temperature heat valorisation towards electricity production») voulait identifier les sources de chaleur résiduelle de basse température (moins de 120 degrés Celsius) et développer des technologies rentables pour leur conversion en électricité.

Les partenaires du projet ont défini une méthodologie permettant l'intégration optimale des cycles thermodynamiques basée sur l'analyse de pincement (pinch analysis) et l'intégration des procédés. Cette méthodologie a été principalement appliquée aux situations types identifiées dans les cimenteries. Deux prototypes ORC de 100 kWhel ont été intégrés dans deux cimenteries pilotes afin d'observer la récupération de chaleur résiduelle et la production d'énergie obtenue. Les composants, comprenant une turbine à flux radial, des échangeurs de chaleur à tubes à ailettes et une colonne garnie échangeuse de chaleur ont été conçus et préparés pour les besoins de ces études pilotes. Les partenaires ont également réalisé des études théoriques pour un système ORC de 1 MWe.

Plusieurs prototypes gaz-liquide de polymères échangeurs de chaleur ont été fabriqués et testés en laboratoire. Des échangeurs capillaires de chaleur ont été facilement réalisés avec des résultats prometteurs concernant le transfert de chaleur et la chute de pression. D'autres modèles basés sur des films polymères ont montré une excellente performance au niveau de l'échange de chaleur mais se sont révélés très difficiles à fabriquer.

Le potentiel d'extraction de la chaleur résiduelle à partir de matériaux solides a également été étudié sur un refroidisseur de ciment qui a servi de modèle. La modélisation et la simulation des phénomènes de transfert de chaleur et de masse ont permis d'identifier les éventuelles modifications au niveau de la conception des refroidisseurs de ciment qui permettraient d'améliorer la récupération de chaleur.

En se basant sur ces prototypes, les partenaires du projet ont réalisé une analyse technico-économique de la récupération de chaleur résiduelle à basse température. Les résultats montrent un temps de retour sur investissement plus élevé que celui généralement accepté par l'industrie pour ses investissements hors production. La sécurité et les risques environnementaux des installations ORC ont également été évalués, y compris une analyse complète d'évaluation du cycle de vie de l'empreinte dioxyde de carbone.

La diffusion de ces résultats a été obtenue par des publications dans des revues, des présentations et des conférences. Une demande de brevet a également été déposée concernant la récupération de chaleur résiduelle à partir des gaz d'échappement de cimenterie.

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Mots-clés

Électricité, chaleur perdue, industrie, cycle organique de Rankine, valorisation de chaleur