GROUPES TURBO-ALTERNATEURS & ORC : des solutions matures pour valoriser la chaleur fatale

Dans le secteur industriel, les turbines à vapeur et les turbines ORC sont des outils fondamentaux pour convertir la chaleur en énergie électrique plus facilement exploitable.

Cette conversion de l’énergie thermique en travail mécanique est basée sur le cycle de Rankine. Il est composé de quatre processus principaux : compression isentropique, chauffage isobare, expansion isentropique et refroidissement isobare.

Compression Isentropique : Le fluide de travail est comprimé à une pression élevée dans une pompe, augmentant ainsi sa pression tout en maintenant son entropie constante.

Chauffage Isobare : Le fluide comprimé est chauffé à pression constante en utilisant une source de chaleur externe (Combustion biomasse, récupérateur de chaleur fatale). Cela conduit à une augmentation de la température et de l’énergie interne du fluide jusqu’à son point de vaporisation.

Expansion Isentropique : Le fluide vaporisé est ensuite introduit dans une turbine où il se détend en produisant un travail mécanique. Pendant ce processus, la pression et la température de la vapeur diminuent, mais son volume augmente. L’entropie reste constante.

Refroidissement Isobare : Le fluide est ensuite condensé pour être ramené sous forme liquide, limitant ici le travail à fournir à l’étape de compression.

Une turbine transforme l’énergie cinétique de la vapeur en travail mécanique grâce à la rotation entraînée d’un rotor.

Il existe deux grandes catégories de turbines à vapeur :

Les turbines à action ou à impulsion : la vapeur arrive radialement sur les aubes fixes, et transmet son énergie aux aubes mobiles (rotor). À chaque palier, la direction de la vapeur change brutalement, engendrant une série d’impulsions successives qui entraînent la rotation du rotor. On retrouve ces turbines dans certaines centrales thermiques et unités de cogénération, souvent de petite ou moyenne puissance.

Les turbines à réaction : Au contraire des turbines à impulsion, les turbines à réaction maintiennent la même direction de la vapeur durant son trajet à travers le stator et le rotor. Ainsi, la vapeur agit continuellement sur les surfaces des aubes, imprimant un mouvement progressif au rotor. On les retrouve couramment dans les centrales nucléaires et thermiques de plus grande puissance.

Différences entre ces deux technologies :

Parfois, les turbines combinent des parties à action et des parties à réaction pour tirer le meilleur avantage de chacune des catégories en fonction des conditions de la vapeur.

Un des critères les plus important pour la sélection d’une turbine est la contre-pression et il existe différents cas de figure :

• Condensation pour une performance optimum (pour production électrique)
• Soutirage (fonction première=production électrique, fonction secondaire=process)
• Contre pression (fonction première=process, fonction secondaire=production électrique)

Les turbines à soutirage ou à contre-pression sont souvent destinées aux applications où il faut extraire de l’énergie à mi-parcours (détente partielle) ou en fin de parcours du cycle vapeur, ces turbines comportent des étages intermédiaires qui permettent une extraction de puissance intermédiaire. Typiquement, on rencontre ces turbines dans les systèmes de cogénération ou les cycles combinés, où la vapeur est utilisée à la fois pour produire de l’électricité et satisfaire des demandes thermiques (chauffage, utilisation de vapeur process…)

Contrairement aux turbines à vapeur, les systèmes à cycle organique de Rankine (ORC) sont conçus pour être utilisés avec des sources de chaleur à des températures plus basses, généralement comprises entre 100 et 350 °C. Au-dessus de cette plage de température, les cycles à vapeur sont généralement les plus performants, tandis qu’en dessous de 100°C, le faible rendement du cycle ne justifie pas économiquement leur utilisation.

Un fluide sec n’est pas forcément le fluide parfait car il peut rester fortement surchauffé après détente. On doit alors envisager d’utiliser un régénérateur pour récupérer cette puissance thermique en désurchauffant le fluide jusqu’à la saturation, mais cela peut présenter des difficultés technologiques et induire des surcoûts.

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 œuvre ces dernières années dans certains pays européens (Italie, Allemagne, France etc…).

À ce jour, environ 3 600 MW de capacité électrique ont été installés dans le monde, notamment en Europe centrale.

Pour consulter les applications industrielles dans le monde, cliquez sur cette carte :

Comparons les GTA et les ORC en fonction de leurs critères de fonctionnement principaux :

FLUIDES EN JEU :

• GTA : eau à l’état vapeur
• ORC : fluides organiques affichant des points d’ébullition inférieurs à celui de l’eau.

SOURCE DE CHALEUR :

• GTA : températures et pressions très élevées pour fonctionner correctement, convenant idéalement aux centrales thermiques conventionnelles (charbon, gaz, nucléaire)
• ORC : peuvent accepter des températures relativement basses, ce qui élargit leur applicabilité aux sources de chaleur fatale issues d’industries, de moteurs à combustion interne, de centrales solaires thermiques ou encore de géothermie.

RENDEMENT ENERGETIQUE :

• GTA: rendements théoriques voisins de 50%. Dans la pratique, ils oscillent autour de 30% à 40%, restant malgré tout supérieurs à ceux des ORC actuels.
• ORC, du fait de leurs contraintes thermiques moindres, proposent des rendements inférieurs situés entre 15% et 25%

Les GTA et les ORC occupent des niches complémentaires au sein du paysage énergétique. Alors que les premières dominent toujours les marchés traditionnels de l’électricité à grande échelle, les ORC gagnent progressivement en popularité face à des défis environnementaux croissants, marquant une orientation vers des solutions énergétiques plus décarbonées et plus décentralisées.

Les groupes turbo-alternateurs (GTA) et les modules ORC ont plusieurs applications industrielles
clés :

Production d’électricité : Les GTA et les ORC sont utilisées dans les centrales électriques pour convertir la chaleur en électricité.

Cogénération : Elles sont également utilisées pour produire à la fois de l’électricité et de la chaleur, améliorant ainsi l’efficacité énergétique.

Production d’électricité et de chaleur : Elles sont employées dans divers secteurs comme l’industrie chimique, agroalimentaire (sucrière), papetière et les incinérateurs de déchets, pour produire de l’électricité, mais aussi afin de récupérer la chaleur fatale des processus industriels ne pouvant être valorisée en l’état.

A travers notre expertise des utilités industrielles, de la production et récupération d’énergie, et en tant qu’intégrateur de solutions clé en main ou en partenariat, nous jouons un rôle dans le développement de projets mettant en œuvre des GTA ou des modules ORC.

CORETEC propose un accompagnement complet aux professionnels du secteur industriel, depuis l’analyse des options technico-économiques jusqu’à la conception personnalisée de la solution la plus adaptée, en mettant à disposition son expertise tout au long du processus. Notre expérience dans la gestion de projets nous permet de superviser les études d’exécution, de piloter les travaux sur le terrain et d’assurer la mise en service et les tests de performance. En somme, nous offrons un service intégral, du début à la fin, dans tous les aspects du projet industriel.

Nous proposons différentes prestations spécialisées et adaptées aux besoins des entreprises cherchant à optimiser leurs flux d’énergie. En lien avec les GTA et les ORC, voici quelques exemples de prestations que nous proposons :

• Réalisation de lots BOP (« Balance Of Plants ») ou de projets clés en main pour la mise en œuvre de petites turbines ou de modules ORC.
• Études de récupération de chaleur fatale, visant à identifier et mettre en œuvre des solutions de valorisation en production électrique via des GTA ou des ORC.

Etudes :

• Site sidérurgique : Etude de faisabilité de récupération de chaleur fatale ; puis APS récupération de chaleur pour ORC/RCU.
• ENGIE SANOU KOURA : Etude de faisabilité de récupération de chaleur fatale avec cogénération via GTA.
• TRIMET Saint-Jean de Maurienne: Etude de faisabilité de récupération de chaleur fatale avec uns solution portant sur l’intégration d’un module ORC.

Travaux :

• EON AGC SEINGBOUSE : Intégration ORC 3.9 MWth

• VEOLIA Montbéliard : Lot valorisation énergétique avec intégration turbine vapeur