La récupération de la chaleur fatale inspire l’innovation

Le Grand Prix National de l’Ingénierie 2015 a été attribué à Energine, un moteur capable de transformer la chaleur fatale en énergie mécanique ou électrique et de s’intégrer à tout procédé industriel rejetant de la chaleur. Une innovation importante dans un contexte d’efficacité énergétique.

Haro sur la chaleur perdue !

La promesse est grande. Selon une étude de l’ADEME1, les entreprises industrielles pourraient diminuer de 20 % leurs consommations énergétiques sans porter atteinte à leur rentabilité.
En produisant mieux. Et surtout en ne gaspillant pas l’énergie utilisée, notamment en récupérant et en valorisant la chaleur fatale.

Chaleur fatale ? De quoi s’agit-il exactement ? Lors du fonctionnement d’un procédé industriel, l’énergie thermique produite grâce à l’énergie apportée n’est pas utilisée en totalité. Une partie de la chaleur est rejetée. Par exemple, lors du fonctionnement d’un four, seulement 20 à 40 % de l’énergie du combustible utilisé constitue de la chaleur utile, ce qui représente 60 à 80 % de chaleur fatale. C’est le caractère inéluctable de cette déperdition qui qualifie la chaleur de « fatale ».
Si elle n’est pas récupérée, on parle alors de « chaleur perdue ».

Récupérer une énergie déjà payée

51 TWh, soit 16 % de la consommation de combustibles dans l’industrie, sont rejetés sous forme de chaleur fatale de plus de 150° C. Énorme ! Surtout si cette chaleur, qui a coûté pour être produite (achat de combustible et coût du process industriel), coûte encore pour être refroidie, que ce soit pour des raisons techniques (traitement des fumées) ou pour des raisons réglementaires (réduction de la température de rejet des eaux usées). Voilà pourquoi la chaleur fatale représente un gisement d’énergie pour qui sait en tirer parti. Il existe deux formes de valorisation de la chaleur fatale, qui dépendent du niveau de température :

  • la valorisation sous forme de chaleur pour les températures en dessous de 150° C ;
  • et la valorisation par production électrique pour les températures supérieures à 150° C.

Pas étonnant que la chaleur fatale inspire les ingénieurs en quête d’innovation.

Energine, Grand Prix National de l’Ingénierie 2015

Inspirés, les ingénieurs de la région de Belfort, regroupés au sein de la structure Assystem, l’ont été. Passionnés par l’énergie et la récupération de chaleur fatale, ils décident en 2008, en partenariat avec l’institut FEMTO-ST2, de se lancer dans le développement d’un moteur capable de produire de l’énergie mécanique ou électrique à partir d’une source de chaleur externe dont la température est supérieure à 150° C. « Parmi nos objectifs, il y avait la volonté d’obtenir un très haut rendement énergétique avec une maintenance réduite au minimum », raconte Thomas Cartigny, responsable du projet Energine. Les ingénieurs ont une bonne intuition : partir du cycle Ericsson, vieux de 160 ans, dont le principe de fonctionnement est simple (voir encadré) mais efficace, et y apporter des innovations techniques. Par exemple ? Ils remplacent les pistons-cylindres présents dans les moteurs conventionnels par des soufflets métalliques au niveau de chaque enceinte. Ils intègrent un système de pilotage permettant de contrôler la cylindrée et la puissance du moteur afin de garantir une production adaptée aux besoins et à la source de chaleur.
« Notre moteur est une véritable innovation », relève Thomas Cartigny. Il n’est pas le seul à le penser puisque Energine s’est vu attribuer le Grand Prix National de l’Ingénierie 20153.

Prototype sur la voie de la commercialisation

Capable de convertir 90 % de la chaleur fatale de plus de 150° C en énergie électrique (25 %) et en énergie thermique utile (75 %), le moteur Energine, actuellement en phase de commercialisation, pourra bientôt intéresser trois secteurs d’applications :

  • les industries fortement émettrices de chaleur, comme la sidérurgie ou la cimenterie ;
  • les particuliers pour qui le moteur pourra faire de la micro-cogénération et donc produire de l’électricité en utilisant la chaleur de la chaudière ;
  • les transports. Il est en effet prévu que le système soit miniaturisé pour être installé sur le pot d’échappement des camions ou des trains pour récupérer la chaleur et donc soulager le moteur et consommer moins de carburant. Il pourrait même être utilisé pour faire rouler des deux-roues. Une première mondiale est prévue en août 2016 aux États-Unis.

Comment ça marche ?

Le système Ericsson repose sur un principe à quatre temps :

  • De l’air en provenance de l’extérieur est comprimé dans une première enceinte.
  • Cet air passe ensuite dans un échangeur où il est chauffé par une source de chaleur externe.
  • Il arrive chaud dans une enceinte de détente.
  • Cette détente pousse un piston et entraîne mécaniquement la compression d’air froid situé dans l’autre enceinte, ainsi que la mise en mouvement d’un alternateur qui convertit l’énergie mécanique en électricité.

De chaleur fatale à chaleur vitale  

Comment ne pas perdre la chaleur émise lors de l’incinération des déchets ? En la récupérant 
grâce à l’installation par TIRU (Groupe EDF) d’un réseau de chaleur en complément d’une turbine électrique et en la transformant en énergie verte. C’est le challenge relevé par l’unité de valorisation énergétique des déchets ménagers de Pontenx-les-Forges qui désormais fournit
40 000 MWh par an de chaleur à l’Ecoserre des Grands Lacs, implantée à proximité.

Grâce à cette opération, la performance énergétique de l’unité de traitement des déchets est passé de 34 % à plus de 80 % et l’Ecoserre a réduit son impact environnemental en n’ayant pas recours à une source combustible fossile pour sa production de légumes.

POUR EN SAVOIR PLUS

 

1 Étude « Contribution de l’ADEME à l’élaboration de visions énergétiques 2030-2050 » disponible en téléchargement sur www.ademe.fr/mediatheque

2 Avec plus de 700 membres, l’institut FEMTO-ST est l’un des plus grands laboratoires de recherche publics français en sciences de l’ingénieur. Rattaché aux établissements d’enseignements supérieurs francs-comtois (UFC, ENSMM, UTBM) et au CNRS, ses recherches pluridisciplinaires visent à maîtriser les micro et nanotechnologies, à intégrer de manière toujours plus dense fonctions et intelligence pour développer des composants et des systèmes innovants destinés aux secteurs de l’énergie et des transports, de la santé, des télécommunications, etc. Plus d’informations sur www.femto-st.fr

3 Le Grand Prix National de l’Ingénierie récompense les professionnels de l’ingénierie pour la qualité de la conception et de la conduite d’un projet exceptionnel par ses innovations et sa créativité, qu’il s’agisse d’infrastructures et de produits industriels (transports, énergie, réseaux), d’équipements publics, du bâtiment, de constructions industrielles, de systèmes complexes ou de process industriels.