Réduction des consommations, conformité et performance énergétique.
Transformer une chaleur perdue en électricité autoconsommée a quelque chose de séduisant. En pratique, le cycle organique de Rankine n'est pertinent que dans une fenêtre étroite : température élevée, fonctionnement très régulier, et absence de besoin thermique concurrent sur le site. Voici comment vérifier si votre configuration entre dans cette fenêtre.
Un cycle de Rankine classique est celui d'une centrale vapeur : on vaporise de l'eau, la vapeur détend une turbine, la turbine entraîne un alternateur, la vapeur est condensée et le cycle recommence. Ce cycle exige des températures élevées, parce que l'eau se vaporise à 100 °C sous pression atmosphérique.
Le cycle organique de Rankine remplace l'eau par un fluide organique dont la température d'ébullition est beaucoup plus basse. Le même schéma fonctionne alors avec des sources de chaleur très inférieures à celles d'une centrale thermique.
Les composants sont peu nombreux : un évaporateur alimenté par la source chaude, une turbine, un alternateur, un condenseur et une pompe de circulation. L'ensemble est généralement livré en module préassemblé.
Le premier critère est le niveau de température de la source. En pratique, la production d'électricité par cycle organique de Rankine s'envisage sur des flux au-dessus de 150 °C, avec un rendement de l'ordre de 10 à 20 % de la chaleur fournie. En dessous de ce niveau, le rendement chute et l'investissement ne se justifie plus.
Ce chiffre de 10 à 20 % mérite d'être pesé. Il signifie que sur 1 000 kW de chaleur fatale injectés, on récupère entre 100 et 200 kW électriques. Le reste est rejeté au condenseur, à basse température.
Le deuxième critère est la régularité. Un module ORC a un coût d'investissement élevé et aucun coût variable significatif. Sa rentabilité dépend donc directement du nombre d'heures de fonctionnement annuel. Un four fonctionnant 7 000 heures par an est un bon candidat ; une installation saisonnière ne l'est pas.
Le troisième critère est l'absence d'usage thermique concurrent. C'est le plus important et le plus souvent négligé.
Les quatre conditions à réunir
Un échangeur qui transfère de la chaleur d'un flux à un autre a un rendement de l'ordre de 80 à 95 %. Un cycle organique de Rankine qui transforme de la chaleur en électricité a un rendement de 10 à 20 %.
La conclusion s'impose : s'il existe sur le site un besoin de chaleur au niveau de température approprié, l'échange direct est très supérieur à la conversion en électricité. On ne convertit pas en électricité une chaleur qu'on pourrait utiliser comme chaleur.
La question à poser avant toute étude d'ORC est donc : y a-t-il, sur ce site ou à proximité immédiate, un besoin de chaleur que ce flux pourrait couvrir. Besoin de chauffage des locaux, eau chaude sanitaire, préchauffage d'air de combustion, préchauffage d'eau d'alimentation de chaudière, bain de process, séchage. Si la réponse est oui, l'ORC passe en seconde ligne.
L'ORC trouve sa place quand la réponse est non : site déjà saturé en chaleur, besoin thermique saisonnier face à une source permanente, ou flux à un niveau de température trop élevé pour les usages existants.
Un point souvent oublié dans les premières études : le condenseur du cycle rejette de la chaleur à basse température, en quantité importante puisqu'elle représente la majeure partie de l'énergie entrante.
Cette chaleur basse température peut être valorisée. Sur un site disposant d'un besoin de chauffage de locaux ou de préchauffage, le condenseur devient une source utilisable, et le bilan global de l'installation s'améliore nettement. On parle alors de cogénération à partir de chaleur fatale.
À l'inverse, si cette chaleur doit être évacuée par aéroréfrigérants, elle consomme des auxiliaires et occupe de la place. Le bilan net se dégrade.
Dans les deux cas, la conception du circuit froid est une partie entière du projet, pas un accessoire.
La fiche d'opération standardisée IND-UT-138 couvre la mise en place d'un système de récupération de chaleur fatale sur les effluents d'un équipement industriel, avec conversion en électricité ou en air comprimé autoconsommés sur site. Le cycle organique de Rankine entre dans son champ.
Les conditions sont précises. La chaleur fatale doit être un effluent liquide ou gazeux rejeté à plus de 25 °C. Le site doit produire lui-même cette chaleur fatale. L'énergie produite doit être autoconsommée sur site : la vente à un tiers est exclue. Les équipements de secours sont exclus, de même que les installations valorisant plus de 16 GWh par an de chaleur fatale. Une étude préalable de dimensionnement réalisée par un professionnel ou un bureau d'études est obligatoire et doit être disponible en cas de contrôle.
Le montant se calcule par la formule 14,134 × D × (Précup × η − Pconso), où D est la durée annuelle de fonctionnement en heures, Précup la puissance thermique apportée à la machine thermodynamique en kilowatts thermiques, η le rendement brut estimé de la machine, et Pconso la puissance électrique absorbée par les auxiliaires en kilowatts électriques. La durée de vie conventionnelle est de 20 ans.
Deux points méritent attention dans cette formule. Le premier est que la puissance des auxiliaires vient en déduction : une installation gourmande en auxiliaires voit sa valorisation réduite, ce qui est cohérent. Le second est que la fiche n'est pas cumulable avec plusieurs autres fiches d'utilités industrielles portant sur le même équipement. Le choix de la fiche doit donc être arbitré en amont.
Configuration · Solution à privilégier · Motif
Un relevé du flux sur une période représentative : débit, température, composition s'il s'agit de fumées. Les fumées de combustion posent des questions de corrosion et de point de rosée acide qui conditionnent le choix de l'échangeur et la température minimale de rejet.
Un profil de fonctionnement annuel réel, pas théorique. C'est lui qui détermine la production électrique annuelle et donc le temps de retour.
Un bilan du site en besoins de chaleur, avec leurs niveaux de température, pour démontrer qu'aucun usage direct n'est préférable. Cette démonstration est aussi ce qui rendra le dossier défendable devant un financeur.
Une analyse du circuit froid et de la valorisation éventuelle de la chaleur du condenseur.
Enfin, un calcul de la puissance électrique injectée dans l'installation électrique du site, avec vérification du poste de livraison et du schéma de protection. Une production décentralisée modifie le plan de protection, et cette vérification arrive souvent trop tard dans les projets.
La température du flux, mesurée et non estimée, et sa stabilité sur un cycle de production complet.
Le nombre d'heures annuelles de disponibilité du flux.
L'inventaire des besoins de chaleur du site avec leurs niveaux de température. Si un besoin peut absorber le flux, instruisez d'abord cette voie.
La règle de non-cumul des fiches d'opérations standardisées applicable à l'équipement concerné, avant de choisir le montage de financement.
Sources : Fiche d'opération standardisée IND-UT-138, récupération de chaleur fatale sur les effluents d'un équipement industriel, ministère de la Transition écologique, https://www.ecologie.gouv.fr/politiques-publiques/operations-standardisees-deconomies-denergie · Arrêté du 30 août 2024 créant la fiche IND-UT-138 · Arrêté du 30 décembre 2024 relatif à sa bonification · Agence Qualité Construction, Revue Qualité Construction n° 210, dossier chaleur fatale · ADEME, La chaleur fatale, https://librairie.ademe.fr
