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Les modules ORC, avenir d’une production renouvelable, décentralisée et efficace ?
Aujourd’hui, certaines sources énergétiques ne sont pas encore parfaitement exploitées. C’est notamment le cas de sources géothermiques à températures trop basses et de chaleur industrielle perdue (aussi appelées fatales).
Un rapport de l’ADEME(1) publié en Mars 2015 met en avant le potentiel d’économies d’énergie pouvant être réalisées par récupération des chaleurs fatales. Comment valoriser ces sources inexploitées de façon efficace ?
La solution peut venir des modules à cycle organique de Rankine qui permettent une production décentralisée à partir de sources d’énergies renouvelables telles que la biomasse ou la géothermie.
Le cycle organique de Rankine présente un vaste domaine d’applications
Le cycle organique de Rankine est un cycle thermodynamique avec vaporisation d’un fluide organique au contact de la source chaude. Le principe est le même que pour un cycle de centrale à vapeur classique, la différence notable étant que le fluide évaporé n’est pas de l’eau. Les fluides utilisés sont des siloxanes, des hydrocarbures ou des réfrigérants en fonction de la température de la source.
L’intérêt du fluide organique est multiple. Sa masse volumique est plus importante que celle de l’eau, ce qui permet de travailler à des pressions moins importantes. Il provoque moins d’érosion des parties métalliques des machines, notamment les pales de la turbine. La rotation de la turbine est plus lente ce qui permet de se passer d’un réducteur de tour et de la brancher directement au générateur électrique. Enfin, l’intérêt majeur du fluide organique est que sa température d’ébullition est inférieure à celle de l’eau, ce qui permet de valoriser des sources chaudes à des températures plus faibles allant de 90°C à 300°C.
Les applications dans le cadre des énergies renouvelables sont nombreuses, ce qui en fait un outil de choix pour atteindre les objectifs énergétiques ambitieux fixés par l’Europe pour 2020(2). Les deux applications principales aujourd’hui sont la biomasse et la géothermie mais les modules ORC peuvent aussi être utilisés dans le cadre de sources solaires à concentration ou de récupération de chaleur perdue. On peut également intégrer le module ORC dans un système de cogénération, voire de micro-cogénération(3).
Les modules ORC sont très adaptés au cadre de la biomasse. Leur facilité d’implantation permet d’éviter un transport du combustible sur de longues distances, la biomasse pouvant être ainsi exploitée à l’échelle locale. Les coûts et la pollution liés au transport sont donc largement réduits.
La valorisation d’une source chaude à faible température (jusqu’à un minimum de 70°C), fait de la géothermie la deuxième utilisation majeure des modules ORC. On peut s’attendre à un développement important de l’utilisation des modules ORC dans ce domaine, notamment dans un contexte insulaire où de telles sources sont plus répandues et encore trop peu exploitées.
La récupération de chaleur perdue (aussi appelée chaleur fatale) possède elle aussi un potentiel encore largement inexploité. En effet, selon le rapport de l’ADEME(1), le gisement de production d’électricité à partir de chaleur industrielle perdue est estimé en France à 1,1 TWh pour une puissance installée de 140 MW. Or, plus de 50% de ce gisement se situe entre 100°C et 200°C, ce qui place le module ORC en pole position pour exploiter ces ressources et améliorer l’efficacité énergétique des usines. Le rapport estime également que jusqu’à 65MW pourraient être installés seulement dans les aciéries et les cimenteries, par récupération de chaleur fatale. Dans un cadre industriel, cette récupération permet de subvenir en partie à ses propres besoins en électricité, et confère ainsi un surcroit de sécurité, d’indépendance et d’efficacité.
Encore peu développée, une dernière application est à l’étude : l’utilisation de modules ORC dans le domaine du transport, en particulier routier et marin. La récupération des chaleurs perdues par le véhicule pourraient lui permettre de s’auto alimenter en électricité. Un projet pilote nommé Efficientship a pour but de démontrer l’efficacité de la technologie ORC dans le domaine marin. Ce projet a débuté le 1er juin 2014, il est financé pour moitié par la Commission Européenne. L’expérience sera menée sur un navire de pêche opérant autour des côtes irlandaises. Les résultats attendus sont notamment une baisse de 5 à 10% des émissions de gaz à effet de serre, une diminution de 5 à 10% de la consommation de carburant et une diminution de 5 à 10% du budget d’huile(4).
Une solution à certaines problématiques posées par la transition énergétique
Les perspectives sur le plan mondial et sur le plan national, sont prometteuses. Les modules ORC pourraient accompagner l’Europe dans sa transition énergétique, en valorisant des sources d’énergie jusque-là peu exploitables ou simplement négligées.
L’ORC peut également jouer un rôle important dans le cadre de l’objectif d’autonomie énergétique des territoires outre-mer français à horizon 2030. Ses utilisations conjuguées à la biomasse et la géothermie de source froide étant les plus à même de remplir cette mission. Un projet pilote a été développé en 2013 à Montpellier, visant à alimenter en chaleur, en froid et en électricité un quartier de 5200 logements et 600 000 m² de locaux par un module ORC(5). Cette centrale a été inaugurée en Avril 2015 et constitue une véritable promesse pour la production d’électricité en zone insulaire.
L’un des avantages principaux à utiliser ce type de machines est sa petite taille. En effet, certains modules ORC peuvent être livrés clé en main par containers d’une capacité de 67 Cet avantage de taille, conjugué aux faibles puissances déployées (10kW à 10MW), en fait un outil parfaitement adapté à la mise en place d’une production décentralisée. Les modules ORC contribuent ainsi à soutenir le réseau et à limiter les pertes liées au transport.
Par ailleurs, les éléments constitutifs d’un module ORC sont répandus et bon marché. Les principaux éléments sont le fluide de travail, la turbine, le condenseur, la pompe et l’évaporateur. Le fonctionnement est automatisé et peut être piloté à distance. Le module a une plus longue durée de vie qu’avec un cycle vapeur classique car il est moins sujet à l’érosion.
De tels modules présentent cependant des inconvénients. On peut notamment citer le faible rendement, entre 12% et 24% en fonction de la température des sources même s’il reste toutefois meilleur que celui du cycle vapeur. L’inconvénient majeur des modules ORC reste l’utilisation, dans certains modèles, de fluides toxiques et/ou inflammables. Toutefois, il semble que les industriels produisant ce type de modules développent des machines répondant de plus aux enjeux de développement durable, avec notamment des fluides non inflammables et non toxiques. Une évolution bienvenue qui permettra de faire de cette technologie un atout de la transition énergétique.
Un développement très contrasté dans le monde
Le marché actuel des modules ORC est très déséquilibré dans le monde : ces machines sont à peine utilisées en France, en comparaison de l’Allemagne, l’Autriche, les Etats-Unis ou l’Italie qui l’exploitent déjà énormément(7). En Mars 2014, la puissance fournie par des modules ORC installés à travers le monde était de 1,8 GW. (8)
D’un point de vue réglementaire, les modules ORC n’ont pas le même statut que l’électricité éolienne ou solaire en France. Ils ne bénéficient pas des avantages fiscaux accordés aux énergies renouvelables ce qui représente un frein important à leur développement. Gilles David, le président d’Enertime, startup spécialiste des modules ORC s’en étonne : « Les petites centrales de cogénération biomasse sont aujourd’hui fortement pénalisées par les tarifs biomasse en place » (5). En effet, les tarifs d’achats de cogénération biomasse ne portent que sur des installations de puissance supérieure à 5MW(10). Or, l’un des avantages principaux des modules ORC est de permettre une production décentralisée grâce à de faibles puissances. La situation est différente en Allemagne, en Autriche ou en Italie, ce qui explique en partie les disparités de développement.
Une législation à l’échelle européenne permettrait de clarifier le statut des modules ORC et de leur donner un coup de pouce.
Les modules ORC sont déjà beaucoup utilisés à l’étranger, et peuvent s’avérer un bon complément à la production d’énergie renouvelable à condition que les machines choisies remplissent certains critères environnementaux. Reste à savoir si le gouvernement est prêt à faire des ORC un des vecteurs de sa transition énergétique, notamment pour aider les territoires d’outre-mer à atteindre leur objectif d’autonomie d’ici 2030. Le 15 avril 2015, Enertime a annoncé avoir été sélectionné pour recevoir un financement afin de fournir la centrale de production d’électricité et de chaleur d’un nouveau projet de géothermie profonde par module ORC dans les Pyrénées Atlantiques. Ce projet est porté par l’ADEME et doté de 80 millions d’euros(11), ce qui est plutôt prometteur.
Notes et sources
(1) Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie
(2) Les objectifs de l’UE pour 2020 étant :
- Réduction des émissions de gaz à effet de serre de 20 %;(voire de 30 %, si les conditions le permettent) par rapport à 1990)
- Utilisation d'énergie provenant de sources renouvelables à hauteur de 20 %
- Augmentation de 20 % de l’efficacité énergétique
(3) Voir article de Sia Partners du 30 Octobre 2014 sur la micro cogénération
(4) Le site officiel du projet : http://www.efficientship.eu/
http://www.enertime.com/fr/actualite/inauguration-de-la-centrale-biomasse-orc-montpellier
(6) L’optimisation repose sur un compromis à trouver entre le refroidissement de la source chaude (qu’on cherche à refroidir le plus possible) et la maximisation de la puissance mécanique qui conduit à ne pas refroidir complètement cette source chaude : http://direns.mines-paristech.fr/Sites/Thopt/fr/co/cycles-orc.html
(7) http://www.cycle-organique-rankine.com/marches-constructeurs-reference.php
(8) Chiffre issu du rapport de l’Institut de Conseil et d’Études en Développement Durable : Récupération de chaleur fatale pour la production d’électricité dans l’industrie et applications en Energie Renouvelable, ICEDD, Liège, Octobre 2014
(9) Voir article de Sia Partners du 25 Mars 2015 sur la géothermie profonde
(11) Voir communiqué de presse commun à Enertime et Fonroche : http://www.enertime.com/sites/default/files/documents/15_04_15_communique_de_presse_enertime-projet_fongeosec.pdf