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18 Oktober 2015 | La Revue POLYTECHNIQUE 10/2015 | Énergie

Production d’électricité à partir de chaleur résiduelle

La chaleur résiduelle des procédés industriels est fréquemment perdue. Dans la cadre d’un projet de recherche conjoint, l’Université de Bayreuth, l’Institut de Technologie de Bavière orientale Amberg-Weiden et la société DEPRAG SCHULZ & CO ont développé un nouveau type de mini-centrale financé par la Fondation bavaroise pour la recherche. Cette centrale permet aux entreprises partenaires du projet de convertir leurs flux de chaleur résiduelle en énergie électrique.
L’idée sous-jacente est la suivante: «Dans de nombreux processus industriels, les gaz de procédé s’évaporent inutilement dans l’atmosphère. Le point de départ était de rendre ces gaz utilisables pour la production d’électricité», explique Rolf Pfeiffer, directeur de DEPRAG.

La récupération d’énergie issue des gaz de procédé n’est pas quelque chose de nouveau. En revanche, ce qui est nouveau, c’est qu’avec ce développement au sein d’une petite centrale de récupération d’énergie compacte et décentralisée, il est possible de convertir en électricité même de petites quantités d’énergie résiduelle, dans une gamme de puissance de 3 à 120 kW.
Si le potentiel énergétique inexploité ne se présente pas sous forme de pression, mais sous forme de chaleur, il faut avoir recours à un circuit fermé séparé, par exemple un processus ORC (Organic Rankine Cycle). Sur cette base, les trois partenaires du projet ont développé une installation ORC expérimentale qui a été assemblée et testée au Centre de technologie de l’énergie de l’Université de Bayreuth.
Afin de présenter les résultats du projet de recherche, une information a été organisée à l’Université de Bayreuth, en collaboration avec DEPRAG. Ce jour-là, les participants ont eu l’occasion de visiter l’unité ORC en cours de production, de découvrir les processus et d’en apprendre plus sur le générateur à turbine GET intégré.
 
Présentation de l’unité ORC.
 

Le générateur à turbine GET
Une unité compacte, composée d’une microturbine à expansion et d’un générateur électrique, produit de l’électricité à partir de gaz. Sans l’armoire de commande électrique qui l’accompagne, le générateur à turbine n’est pas beaucoup plus gros qu’une boîte à chaussures. Il peut être décentralisé à l’endroit où la haute pression du gaz est ramenée à une pression plus basse. Jusqu’ici, l’énergie de pression alors libérée ne servait que rarement à produire du courant, si bien qu’un potentiel énergétique précieux s’évaporait inutilement.
Particulièrement innovant, le générateur à turbine GET de DEPRAG transforme l’énergie contenue dans le fluide de production en électricité. Le gaz pénètre dans la turbine, où il est compressé par des gicleurs et accéléré, libérant ainsi son énergie. Au sein du générateur, l’énergie cinétique est transformée en énergie électrique. Au cœur de ce système innovant, la turbine et le générateur électrique constituent une unité compacte partageant un même arbre. La rotation de la turbine entraîne le rotor du générateur.
Le générateur à turbine GET est disponible dans les puissances de 5 kW, 25 kW, 50 kW et 120 kW. Il est configuré individuellement pour chaque processus. La conception fluidique et la construction du générateur à turbine exigent la définition de paramètres de processus spécifiques: type de source d’énergie, pression d’entrée et de sortie, débit massique et températures d’entrée et de sortie. En outre, une description précise de l’application et du processus souhaités est nécessaire.
Le générateur à turbine GET peut être utilisé à la fois au sein d’un processus ouvert et fermé. Il peut être conçu pour différentes sources d’énergie, telles que l’air comprimé, le gaz naturel, le CO2, la vapeur d’eau, le cyclopentane, le pentafluoropropane (R245fa) ou le SES36. La centrale ORC expérimentale de Bayreuth exploite du cyclopentane, par exemple. Rolf Pfeiffer l’affirme: «Notre système de récupération s’adapte à de nombreuses applications, qu’il s’agisse de convertir directement les gaz d’un processus industriel ou d’exploiter indirectement les chaleurs résiduelles inutilisées via l’intégration de notre unité GET au sein d’un processus ORC.»
 
Le processus ORC.
 

Des applications polyvalentes
On peut imaginer de transposer l’énergie récupérée du générateur à turbine DEPRAG dans de nombreux domaines d’application. Lors de la fusion de métaux, tels que l’aluminium ou le cuivre, les pots de fusion sont refroidis par air comprimé. L’air sous pression circule le long de tunnels de réfrigération et évacue la chaleur, qui finit en général par s’évaporer dans l’atmosphère. Grâce à la microturbine à expansion et au générateur intégré, cette chaleur est transformée en courant électrique et alimente le réseau.
Utiliser le générateur à turbine GET pour produire de l’électricité à partir d’énergie résiduelle peut, sur la base du processus ORC, également être envisagé dans les installations de biogaz et les centrales de cogénération. Grâce au nouveau générateur à turbine, le rendement électrique des installations peut être largement optimisé, permettant d’utiliser efficacement même de petites quantités de chaleur résiduelle à l’aide du processus de conversion ORC.
D’une manière générale, n’importe quel moteur thermique se prête à un recyclage de l’énergie résiduelle à l’aide de turbines. Le principe de base est le suivant: même un moteur thermique fonctionnant de manière très efficace ne parvient à convertir qu’environ un tiers de l’énergie contenue dans le carburant en travail mécanique. Les 60 % restants de l’énergie produite se perdent sous forme de chaleur dans les gaz d’échappement et l’eau de refroidissement. Une approche utilisée en présence de moteurs mobiles, dans les véhicules utilitaires, par exemple, consiste à utiliser cette énergie thermique sur la base d’un processus de vapeur. Le générateur à turbine en est un élément clé. L’énergie électrique régénérée alimente le système électrique de bord, soulage l’alternateur et améliore l’efficacité énergétique globale du véhicule.
 
À propos de DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO
L’entreprise DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. est l’un des leaders du marché dans le domaine des moteurs pneumatiques. A partir du développement et de la fabrication de différents systèmes d’entraînement pneumatiques, la technologie à turbine est devenue sa nouvelle priorité au cours des dix dernières années. Ces solutions innovantes permettent de réaliser des applications totalement nouvelles. DEPRAG, dont le siège est à Amberg en Bavière, compte 600 employés et est représentée dans plus de 50 pays.