Plus d’électricité à partir de la chaleur perdue – grâce à une nouvelle machine à piston

Les bonnes idées font parfois des chemins surprenants. Pendant des années, des spécialistes de l'Empa ont travaillé sur une commande de soupapes innovante pour les moteurs à combustion - à l'aide de soupapes à commande électrohydraulique, qui permettent d'organiser le changement de gaz de manière beaucoup plus flexible qu'avec la technologie traditionnelle des arbres à cames. Dans un moteur à essence, la consommation de carburant a ainsi pu être réduite d'environ 20 pour cent en fonctionnement normal typique pour les voitures de tourisme. Entre-temps, cette approche est développée pour les moteurs flexibles de véhicules utilitaires en collaboration avec un fabricant de camions.

Mais cette technologie pourrait désormais permettre des progrès dans un autre domaine. L'Empa a attribué à son ancien doctorant Andyn Omanovic une "bourse d'entrepreneur" pour mettre sur le marché un nouveau type de moteur à piston équipé de cette commande. La commercialisation sera assurée par etavalve GmbH, une spin-off de l'Empa et de l'ETH Zurich, cofondée par l'expert en hydraulique Wolfgang Schneider, qui a participé au développement de la technologie.

L'idée est d'utiliser la chaleur résiduelle des processus de l'industrie métallurgique ou du ciment et d'autres domaines de manière plus efficace qu'avec les méthodes actuelles qui utilisent des turbines. Comme le cylindre et le piston forment un espace fermé, la compression et l'expansion du processus s'effectuent de manière presque idéale, ce qui permet un rendement énergétique extrêmement élevé : la chaleur perdue est transformée en force mécanique par les pistons, avec laquelle de l'électricité est finalement produite. Mais ce processus n'est réalisable que grâce à la nouvelle commande flexible des vannes, explique Andyn Omanovic.

"Les turbines sont surtout efficaces pour les températures élevées et pour des exigences de puissance de plusieurs centaines de mégawatts", explique le chercheur de l'Empa, "mais pour les plages de température d'environ 500 à 900 degrés, pour lesquelles la chaleur perdue est irrégulière, et jusqu'à une plage de puissance de quelques mégawatts, notre machine à piston est mieux adaptée". Le potentiel est élevé : pour l'Allemagne, la quantité de chaleur résiduelle industrielle supérieure à 300 degrés a été chiffrée en 2016 à environ 10 térawattheures par an. A titre de comparaison : en Suisse, selon l'Association des entreprises électriques suisses (AES), la consommation totale d'électricité s'élèverait à environ 57 térawattheures en 2022.

L'utilisation de la chaleur résiduelle des installations de pyrolyse, qui transforment la biomasse en charbon végétal afin de fixer durablement le carbone - un procédé sur lequel travaillent également des chercheurs de l'Empa - est également prometteuse. Ce procédé génère comme sous-produit des gaz dits faibles, qui contiennent du méthane et des polluants gazeux et qui doivent être brûlés, conformément à la loi. "Cela se fait parfois souvent avec une torche à gaz sans aucune valorisation de l'énergie", explique Andyn Omanovic, "nous utilisons la chaleur qui en résulte pour produire de l'électricité avec notre machine à piston".

Prototype de l'actionneur de vanne, le cœur de la machine à piston d'etavalve. Image : Empa

D'ici le début de l'année 2025, une machine pilote doit voir le jour pour le fournisseur d'énergie IWB à Bâle, qui fait avancer la construction d'installations de charbon végétal en Suisse - conçue et réalisée spécialement pour les propriétés spécifiques de la chaleur résiduelle produite lors de la pyrolyse.

Environ un an plus tard, selon les concepteurs d' etavalve GmbH, une petite série de machines à piston devrait déjà être livrée à une entreprise spécialisée dans les installations de combustion de gaz faibles provenant de décharges ou de la préparation de biogaz. Des discussions à ce sujet sont déjà en cours.

Les experts d' etavalve GmbH sont donc confiants dans le fait que leur technologie pourrait arriver sur le marché dans un avenir proche et s'y imposer - malgré les défis qui restent à relever dans les détails techniques tels que les matériaux résistants à la température pour la machine et la stratégie de régulation pour le processus thermodynamique. D'autant plus que les calculs de rentabilité suscitent également des espoirs. "Notre première machine pilote peut déjà être fabriquée et exploitée en couvrant presque les coûts", dit Andyn Omanovic, "ce qui ne va pas du tout de soi pour une technologie innovante dans la construction mécanique coûteuse".