Cahier technique : récupération de chaleur fatale pour la production d'électricité dans l'industrie et applications en Energie renouvelable

Mis en ligne30/06/2015

Mis à jour25/04/2016

Type de pagePage d'information

Public cibleEntreprises, indépendants, artisans, secteur non marchand

Thématiques

Production d'électricité

Mots clés

Chaleur et récupération de chaleur

Ce cahier est le prolongement du cahier technique « Les récupérations de chaleur dans le process » qui abordait essentiellement les récupérations de chaleur pour des besoins en chaleur.

Introduction

Nous aborderons ici la récupération de chaleur pour la production d'électricité, optimisation qui peut avoir tout son sens dans certains cas, et notamment grâce au développement actuel de la technologie ORC (Organic Rankine Cycle).
Cette technologie permet par ailleurs la valorisation électrique (et éventuellement thermique) d'autres sources de chaleur renouvelables comme la biomasse, le solaire à concentration et la géothermie.

Développement des ORC

Après les premiers développements vers 1960, le marché des ORCs croît de façon exponentielle depuis les années 1980. De nombreux nouveaux fabricants d'ORC sont apparus sur le marché depuis les années 2005, avec de nouveaux produits et de nouvelles solutions.

De nombreuses installations ORC ont ainsi été mises en oeuvre ces dernières années dans certains pays européens (Italie, Allemagne, France etc?). La puissance nette installée au niveau mondial est estimée à 1.8 GWe (mars 2014).

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Répartition des références ORC par pays en 2009. Source : www.cycle-organique rankine.com

En termes de nombre d'installations, on distingue 3 marchés principaux : la géothermie, la cogénération biomasse et la récupération de chaleur. En 2009, près de 70% des systèmes ORC installés ou en cours de construction se trouvaient en Europe alors que 42% de la puissance installée était localisée aux USA (principalement des centrales géothermiques) (Enertime, 2013). Actuellement, le marché de la géothermie affiche la plus grande puissance installée cumulée (les centrales géothermiques sont caractérisées par des puissances allant de 10 MWe à près de 100 MWe). Toutefois, les ORC équipant des centrales de cogénération biomasse représentent les installations les plus nombreuses. Cela est surtout lié à une volonté politique promouvant les installations biomasse (via l'octroi de tarifs de rachat de l'électricité attractifs) en Allemagne, Italie et Autriche. Les différents fournisseurs sur le marché voient également le potentiel important existant dans l'industrie en termes de récupération de chaleur fatale. Le fournisseur Enertime cite ainsi « Rien qu'en France plus de 50MWe pourraient être installés dans les aciéries et plus de 15MWe dans les cimenteries (Source Société Française de Chimie, 2005) ».

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Nombre de références dans le monde en fonction de la source de chaleur en 2009. Source : www.cycle-organique rankine.com

Un potentiel à partir d'énergie fatale existe aussi dans l'industrie wallonne !

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Puissance installée dans le monde d'équipements ORC « Récupération de chaleur ». Source : Enertime

Organic Rankine Cycle

Le premier chapitre de ce cahier fait ainsi un focus sur cette technologie de récupération de chaleur fatale, l'ORC. Les points suivants seront ainsi traités :

Son principe de fonctionnement
Son couplage à la source de chaleur et au système de refroidissement
Ses éléments constitutifs
Ses applications : outre la valorisation de la chaleur fatale, l'ORC permet l'exploitation de différentes sources d'énergie renouvelables (biomasse, géothermie, énergie solaire)

Récupération de Chaleur fatale pour la production d'électricité dans l'industrie wallonne

Le deuxième chapitre traitera de la récupération de chaleur fatale, en présentant notamment les résultats de l'étude financée par la DGO4 et menée par l'ICEDD concernant l'élaboration du potentiel de récupération de chaleur fatale pour la production d'électricité dans l'industrie wallonne. Ce chapitre traite ainsi des points suivants :

Les applications en industrie ;
Le potentiel qualitatif (sectoriel) et quantitatif ;
Les différentes technologies possibles.

Organic Rankine Cycle

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Schéma d'un ORC. Source : Enertime

Le principe de fonctionnement

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Le principe de base d'un ORC est celui d'une machine ditherme qui consiste à récupérer l'énergie thermique d'un fluide chaud en le refroidissant et de convertir une partie de cette énergie en énergie mécanique (et ensuite en électricité). Le rendement de conversion d'une machine ditherme, défini par le rapport de l'énergie électrique produite sur la quantité d'énergie thermique cédée par le fluide chaud, est limité par le second principe de la Thermodynamique au rendement de Carnot. Ce rendement de Carnot, égal au rapport de la différence de température entre la source chaude et l'environnement et de la température de la source chaude, augmente avec la température de la source chaude.

Principe cycle machine ditherme.
Source : wikipedia

Les cycles Organiques de Rankine (ORC) sont basés sur le cycle de Rankine « classique » à la différence que le fluide de travail est non pas l'eau, mais bien un fluide organique (par exemple, un réfrigérant ou un hydrocarbure) caractérisé par température d'ébullition inférieure (à la même pression).

L'avantage des cycles ORC par rapport aux cycles de Rankine à eau dits « classiques » est de permettre une conception plus simple de la chaudière et de sa régulation lorsque le niveau de température de la source chaude est faible. Typiquement, la technologie ORC permet actuellement de récupérer la chaleur de sources chaudes dont la température est comprise entre 90°C et 300°C (seuils technico-économique car en théorie, l'ORC pourrait également récupérer la chaleur d'une source chaude à 28°C?). Pour un cycle à eau, ce seuil de rentabilité se trouve au delà des 400°C.

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Un module ORC comprend 4 composants principaux : un évaporateur, une machine de détente, un condenseur et une pompe. En sortie de pompe, en l'absence de récupérateur sur le cycle, le fluide organique à l'état liquide à haute pression est dirigé vers l'évaporateur. Le fluide y est réchauffé jusqu'à la température d'ébullition, vaporisé et éventuellement surchauffé. La vapeur du fluide organique produite dans l'évaporateur (grâce à la chaleur cédée par la source chaude) est ensuite détendue dans la turbine pour produire de l'électricité. En fonction de la nature du fluide, en fin de détente, le fluide est soit à l'état de vapeur surchauffée (fluide sec) ou à l'état diphasique (fluide humide). Dans le cas de l'utilisation d'un fluide sec (type de fluide généralement utilisé), la détente dans la turbine ORC se fait en permanence à l'état de vapeur et il n y a donc pas, à l'in-verse du cycle de Rankine « classique » (utilisant l'eau, un fluide humide, comme fluide de travail), apparition de gouttelettes entrainant une érosion de la turbine. Cela permet ainsi de rédui-re les coûts de maintenance. De plus, en présence d'un fluide sec, il est possible de récupérer une partie de l'énergie thermi-que (sensible) de la vapeur de fluide organique et d'augmenter ainsi le rendement du cycle en préchauffant le fluide organique en sortie de pompe à travers un échangeur de chaleur appelé « récupérateur » ou « régénérateur » (cf. graphique). A la sortie du récupérateur, la vapeur passe alors dans le condenseur.

Dans le condenseur, le fluide est éventuellement refroidi jusqu'à la température de condensation (fluide sec), condensé et sous-refroidi. Notons que le sous-refroidissement peut être assuré par un échangeur spécialement dédié à cet effet. Le fluide à l'état liquide et à basse pression est ensuite amené à la haute pression au moyen de la pompe.

Copie de cycle-de-rankine.jpg On l'a dit, le fluide utilisé est un fluide organique ; ce qui signifie un fluide issu de la chimie du carbone (chimie organique = chimie du carbone).

Le fluide organique utilisé est choisi notamment en fonction de la température de la source chaude. Il peut s'agir ainsi :

De réfrigérants, tels que le HFC-134a (utilisé pour la récupération de chaleur à très basse température et la géothermie (sources chaudes <100°C)) ou ou le HFC-245fa (utilisé pour la récupération de chaleur à basse température (<170°C)) ;
Des hydrocarbures, tels que le n-pentane (récupération de chaleur à basse température et centrales solaire (<170°C)) et le toluène (récupération de chaleur à haute température (<250°C)) ;
Des siloxanes (chaînes carbonées possédant un ou plusieurs atomes de silicium), tels que l'OMTS (cogénération biomasse) (récupération de chaleur sur des sources typiquement entre 200 et 300°C).

À noter que le choix du fluide organique ne se fait pas uniquement en fonction de la température mais également en fonction d'une série d'autres paramètres à prendre en compte.

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ORC : schéma de principe. Source : Enertime

Son couplage à la source de chaleur et au système de refroidissement

- La source de chaleur :

L'évaporateur du cycle de Rankine peut être mis directement en contact avec la source de chaleur (« évaporation directe », c'est le cas notamment dans les centrales géothermiques) ou bien au travers d'une boucle « intermédiaire ». Cette boucle entre la source de chaleur et l'ORC est effectivement préconisée par la plupart des constructeurs d'ORC, en particulier si la source de chaleur est de type « fumées » ou si les niveaux de températures sont « trop élevés ». Cela est notamment dû au type de fluide organique utilisé ; la stabilité chimique du fluide peut être détériorée à haute température. Cette boucle est constituée d'un échangeur de chaleur additionnel et d'un fluide caloporteur. Ce fluide est généralement une huile minérale ou synthétique qui présente l'avantage de rester à l'état liquide à haute température et sous de faibles pressions. Dans certains cas, de l'eau sous pression peut être utilisée. L'utilisation d'un échangeur de chaleur intermédiaire et d'une pompe de circulation additionnelle se fait au détriment de l'efficacité globale du système. Dans le cas d'une centrale de cogénération biomasse, cette boucle intermédiaire permet de faciliter la conception de la chaudière, celle-ci étant dimensionnée pour réchauffer un fluide à basse pression. La conception de la chaudière d'un ORC est donc beaucoup plus simple que celle d'un cycle de Rankine classique pour lequel le dimensionnement doit répondre à des contraintes mécaniques et en température (vapeur à haute pression et haute température). En outre, l'utilisation d'une boucle intermédiaire améliore la capacité du système à gérer les brusques fluctuations possibles de la source de chaleur.
Si la source de chaleur est de l'huile thermique ou de l'eau chaude, ce circuit intermédiaire caloporteur peut être évité et l'échange entre l'évaporateur du module ORC et la source chaude peut être direct.

- Le circuit de refroidissement :

Un circuit de refroidissement est nécessaire pour condenser (et éventuellement pré-refroidir et sous-refroidir) le fluide organique dans un module ORC.
La température du circuit de refroidissement est une donnée critique pour l'efficacité de l'installation : plus elle est basse, meilleur est le rendement. En effet, pour rappel, le rendement de Carnot est 1-Tf/Tc (température du puits froid sur la température de la source chaude). Tf devra donc être le plus bas possible ; et Tf le plus élevé possible (En pratique, le rendement dépend évidemment aussi de toute une série d'autres paramètres comme le type de fluide organique etc?). Dans le cas d'un condenseur refroidi à air, en considérant une température extérieure de 20°C, la température de condensation sera de l'ordre de 30°C. Par contre, si l'on souhaite travailler en mode cogénération et récupérer la chaleur du circuit de refroidissement, il faudra « remonter » la température de ce circuit vers 80-90°C. En cogénération, le rendement du module ORC est plus faible, mais le rendement global est plus élevé.
La technologie de refroidissement est aussi un paramètre important : un système de condensation à air (aérocondenseur ou encore aéroréfrigérant sec) consomme plus d'électricité qu'un système utilisant de l'eau (tour de refroidissement ou circuit d'eau ouvert (rivière, eau de puits?)). Etant donné les faibles rendements de conversion des modules ORC, la quantité de chaleur dissipée au condenseur est importante et il faut donc porter une attention particulière aux consommations des auxiliaires. Le système de condensation à air est évidemment par ailleurs dépendant de la température extérieure et peut donc ne pas être efficace en saison chaude. La disponibilité en eau du site d'implantation, permettant d'utiliser un système de refroidissement par eau, est donc également un élément important et permettant d'améliorer éventuellement l'efficacité de l'installation.

Les éléments constitutifs

- Les échangeurs de chaleur :

Un ORC comprend au moins deux échangeurs de chaleur (un évaporateur et un condenseur). Toutefois des échangeurs additionnels peuvent être utilisés au sein même de l'ORC, tels que le récupérateur ou le sous-refroidisseur. D'autres échangeurs peuvent également être utilisés également utilisés au niveau de la source et du puits de chaleur et parcourus par les fluides secondaires.
Il existe différents types d'échangeurs variant selon la forme, la compacité, les matériaux, la configuration des écoulements (contre-courant, co-courant, courants croisés, etc.) , ?
On peut citer les échangeurs à plaques, les échangeurs tubulaires, les échangeurs à tubes en U, ?. Selon le type d'application, l'un ou l'autre sera privilégié.
Les échangeurs de chaleur doivent présenter les caractéristiques suivantes :

Important coefficient de transfert de chaleur global, ce qui permet de minimiser toutes les différences de température entre la source chaude et le fluide travail et entre la source froide et le fluide de travail.
Faibles pertes de charges, afin de limiter les consommations des auxiliaires (pompes et ventilateurs)

Dans le cas de récupération de chaleur sur des fumées, il est évident d'opter pour des échangeurs conçus pour supporter poussières et éléments oxydants. Les échangeurs à plaques et joints semblent connaitre une limitation quant à leur utilisation dans des milieux « chargés » en particules. Une solution, pour ce cas des fumées encrassées, pourra être des échangeurs à tubes lisses, avec système de nettoyage. Notons qu'on trouve généralement des filtres sur les cheminées et qu'il peut alors être plus intéressant de placer le récupérateur en aval du filtre puisqu'on se retrouve alors avec des fumées « propres ». Dans le cas de fumées contenant du souffre, on veillera à ne pas descendre sous le point de rosée acide (100 180 °C selon les cas) afin d'éviter tout risque de corrosion.

- La machine de détente

La machine de détente est un élément important de l'ORC étant donné que son efficacité influence fortement la performance du système global. On distingue les machines volumétriques des turbomachines. Les premières sont mieux adaptées que les dernières à la gestion des plus faibles débits. Elles seront donc utilisées dans des systèmes ORC caractérisés par de plus faibles puissances installées. Parmi les machines volumétri-ques, on retrouve principalement des expanseurs à vis et dans une moindre mesure des expanseurs à spirales ou à piston. Quant aux turbomachines, elles peuvent être axiales ou radiales.

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Optimum operating map for 3 expander technologies and 3 targe applications (Purdue)

- La pompe

La pompe est un autre élément important de l'ORC. Contrairement aux systèmes fonctionnant avec l'eau comme fluide de travail, la consommation de la pompe d'un ORC peut représenter une fraction non négligeable de la puissance produite par la turbine. On veille-ra donc à utiliser une pompe présentant un rendement acceptable. D'autre part, la pompe joue un rôle essentiel dans le contrôle de l'ORC en dehors de son point de fonctionnement nominal en permettant d'ajuster le débit de fluide au travers du système. Finalement, on devra veiller à maintenir un NPSH suffisant en entrée de pompe afin d'éviter tout risque de cavitation.

- Puissance-Rendement

Lorsqu'un cycle ORC est utilisé en récupération de chaleur fatale, la différence entre la température du fluide chaud et le puits froid (l'environnement) est relativement faible, ce qui a pour conséquence de limiter le rendement de Carnot. Par exemple, un module ORC fonctionnant à basse température entre une source chaude à 150°C et un puits froid à 30°C (l'air) possède une efficacité d'environ 12% en production d'électricité (notons que le rendement de Carnot entre ces niveaux de température est de 28%). Autre exemple, le module ORCHID d'Enertime alimenté par une source chaude à 200°C et refroidi à 15°C, aura un rendement de 16%.
Le rendement va augmenter si la température de la source chaude augmente ou si la température du puits froid diminue. Ce rendement peut ainsi tout de même monter jusqu'à environ 24% pour les machines actuelles !
Dans le même ordre d'idée, si on souhaite travailler avec une source chaude à basse tem-pérature (95°C), il est nécessaire d'avoir une source froide à basse température, c'est-à-dire typiquement un circuit d'eau froide à 15°C (rivière etc?). Si une telle source n'est pas disponible, il faudra travailler avec des aéroréfrigérants. Le rendement est tout de même encore actuellement assez faible pour ces températures de source chaude.
En termes de puissance, les plus petits modules disponibles tournent autour de quelques kWe, les plus gros pouvant atteindre plusieurs dizaines de MWe (plus de détail au niveau des équipements disponibles sur le marché ci-dessous).
En fonctionnement, le module peut travailler en variation de charge. En-dessous d'une certaine charge le module s'arrête alors. Le taux de charge minimal varie fortement d'une machine à l'autre, et dépend généralement des paramètres de la machine de détente. Pour donner un exemple, nous citerons que le taux de charge minimale pour les installations réalisées par Enertime est de 10%.

Les applications

La technologie de l'ORC peut être appliquée à la récupération de chaleur industrielle, mais également au renouvelable : solaire thermique, géothermie et biomasse. De manière générale, elle peut être utilisée pour des applications à « basse » température (soit en-dessous de 200°C).

- Récupération de chaleur fatale pour la production d'électricité

Cette application a fait l'objet du deuxième chapitre de ce cahier.
Après renouvelable

- ORC et Solaire thermique

Les centrales solaires à concentration constituent en une centaine de miroirs concentrant les rayons du soleil vers un « collecteur ». Cela permet d'avoir une température de fluide caloporteur entre 100 et 1000°C.
Le système de génération de puissance le plus utilisé est le cycle de Rankine vapeur traditionnel, ou autrement dit la turbine vapeur. Toutefois, la turbine nécessite des températures élevées (l'efficacité diminue si la température descend en dessous de 300°C) et l'investissement turbine est important. Le champ solaire doit donc être obligatoirement de taille importante. Pour des champs solaires plus petits ou à plus faible ensoleillement, la température du collecteur est plus faible (en-dessous de 300°C donc), l'ORC peut être utilisé pour produire de l'électricité. Ce type plus petit de centrale solaire à concentration pourrait être envisagé en France ou en Belgique?

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- ORC et Géothermie

On distingue trois catégories de réservoirs géothermiques, en fonction de leurs niveaux de température :

Très basse énergie (max 40°C) : les applications sont le chauffage des bâtiments par échange direct ou pompe à chaleur ;
Basse énergie (entre 50°C et 80°C) : les applications sont le chauffage par géothermie profonde, typiquement pour l'alimentation dun chauffage urbain ;
Haute énergie (dès 100°C et jusque 200 et 250°C) : les applications sont ici la production d'électricité.

Par ailleurs, on peut également classifier les réservoirs géothermiques en fonction de l'état du fluide géothermique : liquide pressurisé, mélange liquide/vapeur ou vapeur surchauffée (vapeur « sèche »).
Afin de valoriser cette chaleur, il existe plusieurs types de centrale notamment en fonction de la température et de l'état du fluide géothermique.

Centrale à cycle direct : utilisée dans le cas où le fluide géothermique est de la vapeur « sèche » (elle est au-dessus du point de saturation et ne contient plus de gouttelettes d'eau). Cette vapeur est directement envoyée dans une turbine. Cette turbine pourra également être à condensation ou à contre-pression. Dans ce dernier cas de figure, la vapeur en sortie turbine pourra être récupérée chez un utilisateur de chaleur et on aura donc une cogénération.
Centrale à cycle indirect à condensation : utilisée dans le cas où la vapeur est trop corrosive. Cette vapeur transmet alors sa chaleur à de l'eau douce qui sera envoyée dans la turbine.
Centrales à cycle à vaporisation (centrales à simple flash ou double flash) permettent d'exploiter les sites où le fluide géothermique se présente sous forme de liquide pressurisé ou de mélange liquide-vapeur. C'est aujourd'hui le type de centrale le plus employé. Le fluide géothermique commence alors par être détendu dans une chambre à pression inférieure à celle du puits, ce qui permet d'en vaporiser une partie, qui est ensuite détendue dans une turbine. La phase liquide est quant à elle renvoyée vers le puits de réinjection.

Centrale à cycle binaire. Source : Thermodynamics and Energetics Laboratory Ulg V.Lemort

Cycles de Kalina : peut être utilisé alternativement à la centrale binaire. Le fluide de travail est un système « eau-ammoniac ».
Cycles combinés ou mixtes : association d'une centrale direct ou à flash avec un ORC afin d'augmenter le rendement de récupération de l'énergie par rapport au rendement du cycle direct ou à flash. Le cycle ORC peut valoriser la chaleur du fluide géothermique à l'état liquide avant réinjection dans le sol.
Centrales à cycle binaire : utilisées dans le cadre où le fluide géothermique est à plus basse température (entre 90 et 150°C) ou s'il présente une faible fraction de vapeur. On récupère alors la chaleur de ce fluide dans un ORC (grâce au fluide organique donc). Cette technologie est commercialement développée depuis le début des années 1980

(Pour des raisons environnementales, le fluide géothermique doit généralement être réin-jecté dans le réservoir après utilisation, mais ce n'est pas toujours le cas).

Le condenseur de l'ORC est généralement refroidi à l'eau. La boucle d'eau est ensuite refroidie au moyen d'une tour de refroidissement ou d'un aérocondenseur. En présence de réservoirs géothermiques à haute température, il est possible de travailler en mode cogénération (par exemple en produisant de l'eau chaude au condenseur à 60°C, au détriment du rendement de l'ORC). L'utilisation d'un récupérateur sur le cycle peut être nécessaire pour éviter tout risque de précipitation de solutés au sein du fluide géothermique.

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Projet Low-Bin

Par ailleurs, la géothermie, en combinaison avec l'ORC, est un domaine de recherche & développement. Citons ainsi 2 projets de ce type :

Soultz-Sous-Forêts (Alsace)
Low-Bin

Projet Soultz-Sous-Forets

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- ORC et Biomasse

C'est la source de chaleur la plus répandue alimentant à ce jour les ORC au point de vue nombre d'installations.
La biomasse est brûlée dans une chaudière à huile thermique. Cette huile à 320-330°C alimente ensuite un module ORC pour la production d'électricité. De manière à augmenter l'efficacité globale de la centrale de cogénération, un économiseur sur l'huile, un préchauffeur de l'air de combustion et un économiseur sur l'eau peuvent être utilisés.
Le fluide organique de l'ORC évolue lui entre des températures d'évaporation et de condensation respectivement de l'ordre de 280°C et de 120°C. Cela permet de produire au condenseur une eau chaude à 90°C qui peut donc également être valorisée à son tour (dans un réseau de chauffage urbain p.ex). On parle à ce moment de production combinée de chaleur et d'électricité ou plus simplement de cogénération.
Une centrale ORC à biomasse peut ainsi produire uniquement de l'électricité ou être à cogénération si on valorise la chaleur. Notons que dans la majorité des cas, de manière à maximiser la rentabilité économique de la centrale, celle-ci est pilotée sur la demande de chaleur (Moro, Pinamonti and Reini, 2008).

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ORC et biomasse source Thermodynamics and Energetics Laboratory Ulg V.Lemort (voir image dans dossier source)

Cette technologie est toutefois évidemment en concurrence avec les centrales thermiques avec turbine à vapeur pour les applications de grandes puissances. Mais la centrale à ORC permet de rendre également possible la cogénération biomasse de petite puissance.
La biomasse, elle, peut être par exemple du bois ou des déchets verts. Ce type de centrale fonctionnant en mode cogénération est ainsi un exemple de production d'énergie pour les éco-quartiers.
D'un point de vue environnemental, l'installation de petites centrales biomasse est très intéressante car cela permet de réduire le rayon de collecte du combustible (et donc de diminuer le nombre de kilomètres parcourus par les camions).
Rappelons toutefois qu'il est nécessaire, au stade du projet, de mener préalablement une réflexion sur la priorité de l'utilisation de la ressource biomasse (ne brûlons pas le bois qui peut être utilisé comme matière première?).

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Récupération de chaleur fatale pour la production d'électricité

Les applications en industrie (en bref)

La chaleur fatale est, au sens premier, un rejet d'énergie thermique non récupéré.
En théorie, la chaleur fatale peut être valorisée sous forme de :

chaleur
électricité
de chaleur et d'électricité

De manière générale, vu les inévitables pertes de rendements et les investissements à consentir, nous considérons que la priorité est de récupérer directement la chaleur pour combler des besoins thermiques lorsque c'est possible.
Si cette possibilité n'existe pas, il existe deux autres possibilités de récupération, en fonction du niveau de température de la chaleur fatale :

Pour la chaleur fatale à basse température (<90°C), on pourra envisager une récupéra-tion par transfert direct ou via une pompe à chaleur (permettant de rehausser le niveau de température du flux de chaleur fatale);
Pour la chaleur fatale haute température (>90°C), on pourra envisager une récupération pour production d'électricité ;

C'est cette dernière possibilité qui est traitée ici.
La « chaleur fatale disponible pour la production d'électricité » généralement connue, et étudiée jusqu'à présent dans les entreprises (verreries, cimenteries et certaines entreprises chimiques), se situe aux niveaux suivants :

Fours
Process exothermiques

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Dans les verreries et cimenteries, il est assez clair que les besoins en chaleur autres que pour les fours sont faibles. Ainsi, la chaleur récupérée en sortie de fours est une chaleur « excédentaire » et pourrait être utilisée pour la production d'électricité.
Toutefois, en entreprise, la chaleur fatale, telle qu'on l'entend au sens premier, peut provenir de nombreuses sources.
Vu le développement des technologies de récupération de chaleur fatale pour la production d'électricité de petite puissance, les sources de chaleur, pour ce cas, pourraient être par exemple :

Cheminée de chaudière ;
Cheminée de four (chaudière) d'huile thermique ;
Les retours condensats ;
Les retours d'eau à des températures supérieures à 95°C (brasseries p.ex,?) ;
Au niveau des postes de détente de vapeur ,?

Ces différents cas de figure se retrouvent fréquemment dans de nombreuses entreprises. Il est évident que la récupération de chaleur fatale pour la production d'électricité peut y être « concurrente » à la récupération de chaleur pour les besoins en chaleur. Plus on va vers les entreprises moins intensives en énergie, plus cette « concurrence » sera importante. En effet, les installations qui « émettent » de la chaleur fatale sont de plus petites tailles : la puissance thermique est donc plus faible et donc plus facile à valoriser sous forme de chaleur, étant donné que les besoins en chaleur seront plus du même ordre de grandeur que ces rejets en chaleur et que, par ailleurs, les niveaux de température des rejets seront typiquement aux alentours des 100-150°C, et donc directement utilisables dans un échangeur pour valorisation de la chaleur.
Toutefois, lorsqu'il y a concurrence entre la récupération sous forme de chaleur et d'électricité, et si les niveaux de température le permettent, il peut être possible d'envisager également le fonctionnement en mode « cogénération », donc la « production » de chaleur et d'électricité, pour optimiser les rendements de récupération. En effet, les équipements de récupération de chaleur fatale pour la production d'électricité peuvent fonctionner en mode cogénération si on récupère la chaleur en sortie de ces équipements (que ce soit ORC, cycle de Rankine classique/cycle vapeur, ou moteur vapeur) et si cette chaleur est à un niveau de température suffisamment élevé pour être valorisée.
Sur cette base, on se rend compte qu'une installation de récupération de cha-leur fatale peut être installée dans de nombreuses entreprises, en pouvant fonctionner, dans certains cas, en « mode cogénération ».

- Remarques sur le fonctionnement en « mode cogénération »

Les possibilités de fonctionnement en « mode cogénération » sont nombreuses :

1. Au niveau d'un équipement dont l'objectif est de récupérer de la chaleur fatale actuellement non récupérée, et cela afin de produire de l'électricité mais également de réutiliser la chaleur en sortie de cet équipement dans l'entreprise ; On peut faire remarquer ici que l'idée initiale peut être uniquement de récupérer la chaleur pour des besoins en chaleur, et que, lors d'un nouveau projet d'optimisation ou de rénovation, l'idée d'un équipement produisant simultanément de l'électricité peut être évaluée pour optimiser le rendement de récupération.
2. Dans le cadre du remplacement d'un équipement qui réalise actuellement de la récupération de chaleur pour des besoins en chaleur ;
3. Eventuellement derrière une installation classique de cogénération : soit p.ex. l'installation d'un ORC derrière un moteur cogénération au gaz ou derrière un cycle à vapeur.

Le potentiel de récupération de chaleur fatale pour la production d'électricité dans l'industrie wallonne

Un potentiel qualitatif a été élaboré préalablement à la construction du potentiel quantitatif.

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Evaluation qualitative du potentiel analyse sectorielle

Une analyse du potentiel de récupération de chaleur fatale a été réalisée sectoriellement.

Cimenterie Heidelberg - Ciment (fédération Febelcem)

Le secteur du ciment représente les industries de production du ciment, les « cimenteries ». Ces entreprises possèdent un ou plusieurs fours de cimenterie.
Selon l'Agence Internationale de l'Energie (IEA, 2009), en 2006, l'industrie du ciment a été responsable de 8% de la consommation énergétique industrielle mondiale et de 26% de ses émissions directes de CO2. Dans le processus global, la production des clinkers est le poste le plus énergivore. D'un point de vue économique, l'énergie représente de 20 à 40% du coût de production total (IEA, 2009).
Où se situe cette chaleur fatale ? Elle est présente dans les fumées en sortie de ces fours (température pouvant varier entre environ 200 et 350°C en fonction des cimenteries). Toutefois, il y a déjà une récupération de chaleur en sortie du four pour le préchauffage de la matière et de l'air de combustion mais toute la chaleur n'est évidemment pas récupérée. Cette récupération existante est très variable d'une cimenterie à l'autre suivant les spécificités du process de production (voie sèche, voie humide, type de ciment produit?). Par conséquent, cette variabilité n'a pas pu être prise en compte dans le cadre de l'extrapolation réalisée pour la construction du potentiel quantitatif..
Par ailleurs, notons que généralement, les nouvelles cimenteries sont directement équipées d'une récupération de chaleur pour production d'électricité.

- Verre (Fédération FIV)

La Fédération de l'Industrie du Verre regroupe les entreprises qui produisent ou transforment le verre (verre plat, verre creux, verres spéciaux), ce qui nécessite l'emploi de fours industriels. Ce secteur présente un potentiel important.