Développer des solutions décentralisées

Production d’électricité à partir de chaleur perdue d’origine industrielle

À mesure que la transition énergétique progresse, l’intérêt pour les unités de production décentralisées et réglables augmente. L’utilisation de la chaleur perdue dans les processus industriels peut contribuer de manière significative à l’amélioration de l’efficacité énergétique et à la production d’électricité à faible émission de carbone. La machine à cycle organique de Rankine ou ORC (Organic Rankine Cycle) offre une approche technologique pour convertir la chaleur perdue en électricité. Le consortium bavarois constitué de l’Université de Bayreuth, de l’OTH Amberg-Weiden et de la société DEPRAG développe avec succès des systèmes ORC depuis plus de 7 ans, et en particulier des turbines de micro-expansion dans la plage de puissance inférieure à 50 kW (électrique).

La récupération des flux d’énergie non utilisés, tels que la chaleur des gaz d’échappement des moteurs à combustion interne ou des turbines à gaz ou la chaleur perdue des processus industriels, est une approche prometteuse pour améliorer l’efficacité énergétique. Les solutions techniques existantes, telles que les centrales à vapeur intégrées en aval ou les turbines comme expanseurs de gaz naturel, se limitent aux flux d’énergie avec des températures supérieures à 500°C et à des performances d’installations électriques supérieures à 100 kW. Afin d’assurer une large pénétration du marché et de produire un effet sensiblement perceptible sur le système énergétique actuel, il est important d’exploiter le potentiel considérable que représentent les basses températures.

Le concept : turbine ORC efficace et de petite échelle

En tant que technologie de conversion d’énergie, l’ORC est particulièrement adapté aux sources de chaleur d’une température de 100°C à 500°C. Il s’agit essentiellement du procédé bien connu de la force motrice de la vapeur, du nom du physicien et ingénieur écossais William John Macquorn Rankine (1820-1872). Mais contrairement aux centrales électriques conventionnelles, les systèmes ORC utilisent des fluides organiques à la place de l’eau comme fluide moteur. Ces substances ont l’avantage de s’évaporer même à des températures relativement basses. Dans la plage de puissance électrique inférieure à 100 kW, cette technologie ne s’est pas encore suffisamment établie. Ceci est en partie dû à l’absence de micro-expanseurs économiques dotés de générateurs. C’est un point de départ important pour les travaux de recherche et de développement intensifs des partenaires. D’une part, une nouvelle unité de générateur à turbine hautement intégré a été développée, qui est composée d’une turbine axiale à pression constante avec un générateur synchrone hermétiquement fermé (figure de la turbine). En outre, une conception innovante d’échangeur de chaleur (échangeur de chaleur à plaques et calandre) a été testée pour coupler le fluide de travail ORC directement aux gaz d’échappement. Cette mesure évite des circuits intermédiaires coûteux.

Étroite coopération : Bayreuth et Amberg

Le projet « Développement d’une mini-centrale ORC pour la récupération de chaleur perdue », financé par la Fondation de recherche bavaroise de 2011 à 2013, a initialement réuni les expertises spécifiques des trois partenaires du projet à plusieurs étapes de développement : simulation stationnaire et sélection de fluide, conception et fabrication d’un évaporateur direct et d’une turbine de micro-expansion dotée d’un générateur, conception de l’installation de démonstration ainsi que construction et exploitation de l’installation. Le Professeur Dr.-Ing. Andreas Weiß de l’Université technique d’Amberg-Weiden a calculé et conçu la turbine de micro-expansion. DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO., basée à Amberg en Bavière, a résolu les problèmes techniques liés à la fabrication de la turbine de micro-expansion ORC. Puis une centrale de recherche, située au Centre de technologie de l’énergie de l’Université de Bayreuth sous la direction du Prof. Dr-Ing. Dieter Brüggemann, a été construite (figure de la centrale de recherche). « La coopération intensive et ciblée des développeurs de turbines d’Amberg avec les spécialistes de la thermodynamique de Bayreuth a finalement permis d’atteindre une puissance électrique de 12 kilowatts avec un rendement de la turbine de près de 65 % et d’utiliser ainsi des températures de gaz d’échappement allant jusqu’à 300 degrés Celsius », se souvient la Dr.-Ing. Theresa Weith qui a travaillé sur le projet et qui dirige maintenant le domaine du transfert de chaleur au Centre de technologie de l’énergie.

Développement cohérent : application plus vaste et utilisation flexible

Le projet de recherche décrit représente la première étape du développement cohérent de la technologie ORC par les partenaires du projet. Après la construction et les essais réussis de la centrale d’essai avec évaporation directe de cyclopentane et d’une microturbine en tant qu’expanseur, un système modulaire pour générateurs à turbine à expansion micro a été développé dans le cadre du sous-projet de KoKWK intitulé « Turbines de micro-expansion avec des générateurs à grande vitesse permettant de transformer la chaleur perdue en électricité lors de la cogénération ou d’autres processus industriels » et financé de 2013 à 2016 par le ministère bavarois de l’éducation et de la culture, des sciences et des arts. Trois représentations différentes de ce système modulaire ont été largement mesurées dans une deuxième installation ORC utilisant de l’hexaméthyldisiloxane (MM) comme fluide moteur.

Grâce à la nouvelle centrale d’essai ORC très fiable, les turbines ont pu être testées non seulement au point de conception, mais également à charge partielle, ce qui a permis de déterminer les caractéristiques de fonctionnement et de rendement. Les mesures effectuées montrent de nouveaux gains d’efficacité, permettant ainsi d’atteindre un rendement de la turbine de près de 75 %. L’ensemble des participants a toujours attaché de l’importance à combiner les calculs théoriques avec des preuves concrètes en laboratoire. « De nombreuses publications dans ces domaines se sont contentées de calculs sur ordinateur, mais sans apporter de preuves expérimentales. Nous avons réussi à combler cet écart et à montrer le potentiel considérable pour la production d’électricité, même dans les petites installations ORC, souligne le Prof. Brüggemann.

Ces objectifs ambitieux n’ont pas été atteints seulement sur le plan scientifique, comme le montre également la « Turbine à énergie verte (GET) » - une gamme de produits de la société DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. qui repose dans son architecture principalement sur les projets décrits. Cinq tailles différentes permettent de couvrir une plage de puissance électrique de 3 kW à 175 kW. Grâce à sa structure simple, le générateur à turbine GET peut être adapté rapidement et à moindre coût aux différentes performances, fluides moteurs, pressions et températures demandées. À ce jour, environ 100 machines sont déjà utilisées sur le terrain.

Suite au succès déjà obtenu, les partenaires du projet se sont fixé de nouveaux objectifs. Le nouveau projet, financé par BFS, vise à développer une turbine adaptative à géométrie variable et à la tester dans la centrale de recherche existante. « Nous voulons nous assurer que la turbine s’adapte intelligemment et efficacement aux plages de charge partielle qui se produisent fréquemment », explique le Prof. Weiß.