Développer des solutions décentralisées – Production d'électricité à partir de la chaleur résiduelle industrielle

GET® Turbinengenerator (Foto : Université de Bayreuth) / Générateur de turbine GET (Photo : Université de Bayreuth)

ORC-Versuchsanlage (Foto: Universität Bayreuth) / Système de recherche (Photo: Université de Bayreuth)

Avec l'avancement de la transition énergétique, l'intérêt pour les unités de production décentralisées et régulables augmente. L'utilisation de la chaleur résiduelle dans les processus industriels peut contribuer de manière significative à améliorer l'efficacité énergétique et à produire de l'électricité à faible émission de CO2. Le cycle organique de Rankine (ORC) offre une approche technologique pour convertir la chaleur résiduelle en électricité. Le consortium de Bavière du Nord, composé de l'Université de Bayreuth, de l'OTH Amberg-Weiden et de la société DEPRAG, travaille depuis maintenant 7 ans avec succès sur le développement de systèmes ORC et en particulier de micro-turbines à expansion dans la petite gamme de puissance inférieure à 50 kW (électrique).  

La récupération des flux d'énergie inutilisés, tels que la chaleur des gaz d'échappement des moteurs à combustion ou des turbines à gaz, ou encore la chaleur résiduelle de processus industriels, constitue une approche prometteuse pour améliorer l'efficacité énergétique. Les solutions techniques existantes, telles que les processus de production de vapeur en aval ou les turbines en tant qu'expanseurs de gaz naturel, se limitent aux flux d'énergie avec des températures supérieures à 500 °C et à des puissances électriques supérieures à 100 kW. Pour atteindre une pénétration large du marché et avoir un effet positif tangible sur le système énergétique actuel, il est important d'exploiter également le potentiel considérable à des niveaux de température plus faibles. 

Le concept : une turbine ORC efficace et à petite échelle

L'ORC est particulièrement adapté pour des sources de chaleur avec des températures comprises entre 100 °C et 500 °C comme technologie de conversion d'énergie. Il s'agit en principe du processus de production de vapeur bien connu, nommé d'après le physicien et ingénieur écossais William John Macquorn Rankine (1820 – 1872). Contrairement aux centrales électriques conventionnelles, les systèmes ORC utilisent des fluides organiques plutôt que de l'eau comme fluide de travail. Ces substances ont l'avantage de s'évaporer à des températures relativement basses. Dans la gamme de puissance électrique inférieure à 100 kW, cette technologie ne s'est pas encore suffisamment implantée. Cela est notamment dû au manque d'expanseurs microéconomiques avec générateurs. C'est précisément ici qu'une étape importante de la recherche et du développement intensifs des partenaires de coopération a été franchie. D'une part, un nouveau système intégré de turbine et générateur a été développé, composé d'une turbine axiale à pression constante avec un générateur synchrone hermétique (voir illustration de la turbine). De plus, un design innovant de transfert thermique (échangeur de chaleur « Plate & Shell ») a été testé pour coupler directement le fluide de travail ORC avec les gaz d'échappement. Grâce à cette mesure, les circuits intermédiaires coûteux sont évités.

Une coopération étroite : Bayreuth et Amberg

Dans le cadre du projet « Développement d'une mini-centrale ORC pour l'utilisation de chaleur résiduelle », financé de 2011 à 2013 par la Fondation de recherche bavaroise, les expertises spécifiques des trois partenaires du projet ont été réunies à plusieurs stades de développement : simulation stationnaire et sélection du fluide, conception et fabrication d'un évaporateur direct et d'une micro-turbine à expansion avec générateur, conception de l'installation de démonstration ainsi que montage et exploitation de l'installation. À cette occasion, le Prof. Dr.-Ing. Andreas Weiß de l'OTH Amberg-Weiden a calculé et conçu la micro-turbine à expansion. La société DEPRAG SCHULZ GMBH & CO., basée à Amberg, a relevé les défis techniques liés à la fabrication de la micro-turbine ORC. Enfin, une centrale de recherche a été construite au Centre de technologie énergétique (ZET) de l'Université de Bayreuth sous la direction du Prof. Dr.-Ing. Dieter Brügmann (voir illustration de la centrale de recherche). « La collaboration intensive et ciblée entre les développeurs de turbines d'Amberg et les thermodynamiciens de Bayreuth a finalement permis d'atteindre une puissance électrique de 12 kilowatts avec un rendement de turbine proche de 65 %, tout en utilisant des températures de gaz d'échappement jusqu'à 300 degrés Celsius », se souvient le Dr.-Ing. Theresa Weith, qui a travaillé sur le projet et dirige maintenant le domaine de transfert thermique au ZET.

Développement continu : application plus large et utilisation plus flexible

Le projet de recherche décrit constitue la première étape d'une évolution cohérente de la technologie ORC par les partenaires du projet. Après la construction et le test réussi d'une centrale expérimentale avec évaporation directe de cyclopentane et d'une micro-turbine en tant qu'expanseur, dans le cadre du sous-projet KoKWK « Microturbines à expansion rapide avec générateurs pour la production d'électricité à partir de chaleur résiduelle dans la cogénération ou d'autres processus industriels », financé de 2013 à 2016 par le ministère bavarois de l'Éducation, de la Science et de l'Art, un système modulaire pour les micro-turbines à expansion avec générateurs a été développé. Trois représentants différents de cette gamme ont été largement mesurés dans une seconde installation ORC utilisant le hexaméthyldisiloxane (MM) comme fluide de travail.

Grâce au fonctionnement très fiable de la nouvelle centrale expérimentale ORC, les turbines ont pu être testées non seulement au point de conception, mais aussi en régime partiel, permettant de déterminer les caractéristiques de rendement et d'efficacité. Les mesures effectuées confirment d'autres gains d'efficacité, avec des rendements de turbine atteignant près de 75 %. Tous les acteurs ont toujours veillé à associer calculs théoriques et preuves concrètes en laboratoire. « De nombreuses publications dans ces domaines se sont contentées de calculs informatiques, sans preuve expérimentale. Nous avons comblé cette lacune et montré le grand potentiel de production électrique même dans de petites installations ORC », souligne le Prof. Brügmann.

Que ce soient les objectifs ambitieux atteints ou la gamme de turbines « Green-Energy-Turbine (GET®) » – une famille de produits de la société DEPRAG SCHULZ GMBH & CO., dont l'architecture repose largement sur les projets décrits – cela montre que ces avancées sont concrètes. Avec cinq tailles différentes, la gamme couvre une puissance électrique de 3 kW à 175 kW. Grâce à une conception simple, la turbine GET peut être rapidement et à moindre coût adaptée aux différentes puissances, fluides de travail, pressions et températures requises en pratique, et à ce jour, environ 100 machines sont déjà en service sur le terrain.

Malgré les succès déjà obtenus, les partenaires du projet ont fixé des objectifs encore plus ambitieux. Dans le nouveau projet, financé par la BFS, une turbine adaptative à géométrie variable sera développée et testée dans la centrale de recherche existante. « Nous souhaitons que la turbine s'adapte intelligemment et efficacement aux plages de régime partiel fréquemment rencontrées », explique le Prof. Weiß.