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Récupération de chaleur fatale pour la production d’électricité dans l’industri

Récupération de chaleur fatale pour la production d’électricité dans l’industrie et applications en Energie Renouvelable Organic Rankine Cycle Cahier technique n°16 Introduction Ce cahier est le prolongement du cahier technique « Les récupérations de chaleur dans le process » qui abordait essentiellement les récupérations de chaleur pour des besoins en chaleur. Nous aborderons ici la récupération de chaleur pour la production d’électricité, optimisation qui peut avoir tout son sens dans certains cas, et notamment grâce au développement actuel de la technologie ORC (Organic Rankine Cycle). Cette technologie permet par ailleurs la valorisation électrique (et éventuellement thermique) d’autres sour ces de chaleur renouvelables comme la biomasse, le solaire à concentration et la géothermie. Développement des ORC Après les premiers développements vers 1960, le marché des ORCs croît de façon exponentielle depuis les années 1980. De nombreux nouveaux fabri cants d’ORC sont apparus sur le marché depuis les années 2005, avec de nouveaux produits et de nouvelles solutions. De nombreuses installations ORC ont ainsi été mises en œuvre ces dernières années dans certains pays européens (Italie, Allemagne, France etc…). La puissance nette installée au niveau mondial est estimée à 1.8 GWe (mars 2014). Ce que vous devez savoir sur la Récupération de chaleur fatale ... Source : Enertime Introduction 2 Récupération de chaleur fatale En termes de nombre d’installations, on distingue 3 marchés principaux : la géothermie, la cogénération biomasse et la récupération de chaleur. En 2009, près de 70% des systèmes ORC installés ou en cours de construction se trouvaient en Europe alors que 42% de la puissance installée était localisée aux USA (principalement des centrales géothermiques) (Enertime, 2013). Actuellement, le marché de la géothermie affiche la plus grande puissance installée cumulée (les centrales géothermiques sont caractérisées par des puissances allant de 10 MWe à près de 100 MWe). Toutefois, les ORC équi pant des centrales de cogénération biomasse représentent les installations les plus nombreuses. Cela est surtout lié à une volonté politique promouvant les installations biomasse (via l’octroi de tarifs de rachat de l’électricité attrac tifs) en Allemagne, Italie et Autriche. Les différents fournisseurs sur le marché voient également le potentiel important existant dans l’industrie en termes de récupération de chaleur fatale. Le fournisseur Enertime cite ainsi « Rien qu'en France plus de 50MWe pourraient être installés dans les aciéries et plus de 15MWe dans les cimenteries (Source Société Française de Chimie, 2005) ». Un potentiel à partir d’énergie fatale existe aussi dans l’industrie wallonne ! Allemagne Etats-Unis Autriche Italie France Reste Europe Reste Monde 0 20 40 60 80 100 120 En cours d’installation Installés Nombre de sites ORC par région Répartition des références ORC par pays en 2009. Source : www.cycle-organique –rankine.com 2004 1998 1999 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 0 10 20 30 40 50 60 70 MW Puissance installée dans le monde d’équipements ORC « Récupération de chaleur ». Source : Enertime Divers 12 Géothermie 55 WHR 23 Biomasse 168 Nombre de références dans le monde en fonction de la source de chaleur en 2009. Source : www.cycle- organique –rankine.com 3 Introduction Récupération de chaleur fatale Organic Rankine Cycle Le premier chapitre de ce cahier fait ainsi un focus sur cette technologie de récupération de chaleur fatale, l’ORC. Les points suivants seront ainsi trai tés : Son principe de fonctionnement • Son couplage à la source de chaleur et au système de refroidissement • Ses éléments constitutifs • Ses applications : outre la valorisation de la chaleur fatale, l’ORC permet • l’exploitation de différentes sources d’énergie renouvelables (biomasse, géothermie, énergie solaire) Récupération de Chaleur fatale pour la production d’électricité dans l’industrie wallonne Le deuxième chapitre traitera de la récupération de chaleur fatale, en pré sentant notamment les résultats de l’étude financée par la DGO4 et menée par l’ICEDD concernant l’élaboration du potentiel de récupération de chaleur fatale pour la production d’électricité dans l’industrie wallonne. Ce chapitre traite ainsi des points suivants : Les applications en industrie ; • Le potentiel qualitatif (sectoriel) et quantitatif ; • Les différentes technologies possibles. • Introduction Introduction 4 Récupération de chaleur fatale Organic Rankine Cycle Le principe de fonctionnement Le principe de base d’un ORC est celui d’une machine ditherme qui consiste à récupérer l’énergie thermique d’un fluide chaud en le refroidissant et de convertir une partie de cette énergie en énergie mécanique (et ensuite en électricité). Le rendement de conversion d’une machine ditherme, défini par le rapport de l’énergie électrique produite sur la quantité d’énergie thermique cédée par le fluide chaud, est limité par le second principe de la Thermodynamique au rendement de Carnot. Ce rendement de Carnot, égal au rapport de la différence de température entre la source chaude et l’en vironnement et de la température de la source chaude, augmente avec la température de la source chaude. Les cycles Organiques de Rankine (ORC) sont basés sur le cycle de Rankine « classique » à la différence que le fluide de travail est non pas l’eau, mais bien un fluide organique (par exemple, un réfrigérant ou un hydrocarbure) caractérisé par température d’ébullition inférieure (à la même pression). L’avantage des cycles ORC par rapport aux cycles de Rankine à eau dits « classiques » est de permettre une conception plus simple de la chaudière et de sa régulation lorsque le niveau de température de la source chaude est faible. Typiquement, la technologie ORC permet actuellement de récupérer la chaleur de sources chaudes dont la température est comprise entre 90°C et 300°C (seuils technico-économique car en théorie, l’ORC pourrait également récupérer la chaleur d’une source chaude à 28°C…). Pour un cycle à eau, ce seuil de rentabilité se trouve au delà des 400°C. Schéma d’un ORC. Source : Enertime ude Source chaude Qc Source chaude Qc So Source froide Qf Source froide Qf Turbine / moteur Turbine / moteur W Turbine / moteur W Principe cycle machine ditherme. Source : wikipedia Organic Rankine Cycle Puissance isponible : 5MWth Production électrique : 5GWh/an Source chaude d'un OCR : huile thermique à 200°c 5 Cycle ORC Récupération de chaleur fatale Un module ORC comprend 4 composants principaux : un évaporateur, une machine de détente, un condenseur et une pompe. En sortie de pompe, en l’absence de récupérateur sur le cycle, le fluide organique à l’état liquide à haute pression est dirigé vers l’évaporateur. Le fluide y est réchauffé jusqu’à la tem pérature d’ébullition, vaporisé et éventuellement surchauffé. La vapeur du fluide organique produite dans l’évaporateur (grâce à la chaleur cédée par la source chaude) est ensuite détendue dans la turbine pour produire de l’électricité. En fonction de la nature du fluide, en fin de détente, le fluide est soit à l’état de vapeur surchauffée (fluide sec) ou à l’état diphasique (fluide humide). Dans le cas de l’utilisation d’un fluide sec (type de fluide généralement utilisé), la détente dans la turbine ORC se fait en permanence à l’état de vapeur et il n y a donc pas, à l’in verse du cycle de Rankine « classique » (utilisant l’eau, un fluide humide, comme fluide de travail), apparition de gouttelettes entrainant une érosion de la turbine. Cela permet ainsi de rédui re les coûts de maintenance. De plus, en présence d’un fluide sec, il est possible de récupérer une partie de l’énergie thermi que (sensible) de la vapeur de fluide organique et d’augmenter ainsi le rendement du cycle en préchauffant le fluide organique en sortie de pompe à travers un échangeur de chaleur appelé « récupérateur » ou « régénérateur » (cf. graphique). A la sortie du récupérateur, la vapeur passe alors dans le condenseur. Dans le condenseur, le fluide est éventuellement refroidi jusqu’à la température de condensation (fluide sec), condensé et sous- refroidi. Notons que le sous-refroidissement peut être assuré par un échangeur spécialement dédié à cet effet. Le fluide à l’état liquide et à basse pression est ensuite amené à la haute pres sion au moyen de la pompe. On l’a dit, le fluide utilisé est un fluide organique ; ce qui signi fie un fluide issu de la chimie du carbone (chimie organique = chimie du carbone). Le fluide organique utilisé est choisi notamment en fonction de la température de la source chaude. Il peut s’agir ainsi : De • réfrigérants, tels que le HFC-134a (utilisé pour la récupé ration de chaleur à très basse température et la géothermie (sources chaudes <100°C)) ou ou le HFC-245fa (utilisé pour la récupération de chaleur à basse température (<170°C)) ; Des • hydrocarbures, tels que le n-pentane (récupération de chaleur à basse température et centrales solaire (<170°C)) et le toluène (récupération de chaleur à haute température (<250°C)) ; Des • siloxanes (chaînes carbonées possédant un ou plusieurs atomes de silicium), tels que l’OMTS (cogénération biomasse) (récupération de chaleur sur des sources typiquement entre 200 et 300°C). À noter que le choix du fluide organique ne se fait pas unique ment en fonction de la température mais également en fonction d’une série d’autres paramètres à prendre en compte. Cycle de Rankine Un fluide de travail initialement à l’état liquide et à uploads/Industriel/ dai-fichesureindustrie-chaleurfatale-edition2014.pdf