Orateur(s)
Vincent Lemort Professeur, Laboratoire de thermodynamique et d'énergétique (ULiège)
Constant Beerden Responsable de production (Cristallerie du Val Saint Lambert)

La perte d’énergie fatale n’est plus une fatalité

Résumé

Cette conférence a débuté par la visite du site du Val Saint Lambert où Constant Beerden, responsable de production, nous a emmené dans les entrailles de cette entreprise emblématique pour nous montrer quels types de pièces en Cristal étaient encore produites et comment les produits ont évolué selon la demande actuelle. Par ailleurs, il faut savoir que le cristal rentre dans une chaîne d’économie circulaire car les morceaux de cristal issus des produits cassés sont stockés à l’extérieur pour en faire du Terrazzo (matériau de finition dans la construction).

Nous sommes ensuite retournés à l’atelier de production où nous avons eu la chance de voir l’artisan, Jean-Michel Osowicki, souffleur de verre, fabriquer un vase en Cristal étayé par les explications de Monsieur Beerden. La dextérité avec laquelle il maniait la canne pour sculpter la pièce était remarquable. Son expérience de 45 ans dans le domaine y était pour quelque chose. Il a façonné la pièce en différentes couches, une vidéo est disponible sur facebook pour en attester.

Nous avons donc assisté au processus complet de fabrication d’un vase en Cristal signé Val Saint Lambert. Il a fallu, dans le four, une production de chaleur intense et équivalente à 1300 degrés pour y arriver. Nous avons donc pu mêler l’utile à l’agréable et ainsi réfléchir autour d’un cas d’étude au travers du four de production et de sa production de chaleur. Les pertes de chaleur de ce four ouvrent le champs des possibles quant à la récupération et à la transformation de cette énergie.

Vincent Lemort, Professeur au Laboratoire de thermodynamique de l’université de Liège a abordé les différentes variantes possibles. Il a commencé par expliquer la définition de la chaleur fatale : c’est la chaleur issue d’un procédé industriel rejetée à l’environnement et qui pourrait être réutilisée à des fins économiques. Il y a 200 ans la chaleur fatale était vue comme une pollution et on luttait contre. Aujourd'hui on s'y intéresse en raison de son potentiel de revalorisation. Différentes technologies peuvent être mises en place pour transformer cette chaleur en différents types d’énergie :

- La récupérer pour produire de la chaleur (en rehaussant son niveau de température ou en « amplifiant » la puissance disponible)

- La récupérer pour produire de l'électricité

- La récupérer pour produire du froid (techniques à absorption, à éjecteur,...)

Sur le cas pratique du four à gaz du Val Saint Lambert, il est difficile de quantifier la source de chaleur car nous avons peu d’information sur les températures, les débits ainsi que sur la composition des fumées. De manière générale, il est plus facile de quantifier la chaleur fatale sous forme liquide.

Le four à gaz consomme, à la grosse louche, 350m³ de gaz par jour et tourne 24h/24 et 7j/7. Comment pourrions-nous donc récupérer cette chaleur et la transformer en énergie à valoriser ?

Plusieurs procédés sont possibles :

- la pompe à chaleur à absorption permettrait de fournir et d'amplifier la puissance thermique disponible (mais à un niveau de température moindre), la différence étant prise dans l'environnement. Ça permet d'augmenter le rendement comparé à des chaudières classiques.

- la pompe à chaleur à compression de vapeur qui augmente le niveau de température de la chaleur disponible. Les produits actuels permettent de monter à 150°C. En haut de la pompe à chaleur, on peut mettre un mécanisme qui recomprime la vapeur pour monter plus haut en températures (160-170°C). Des températures supérieures à 200°C peuvent être obtenues avec des cycles de Stirling et des cycle de Brayton ou même encore avec des cycles à compression de vapeur. 

- la production d’électricité via les ORC ( Organic Rankine Cycle) : technologie avec les mêmes composants qu’un cycle de vapeur classique. On utilise un fluide organique qui est caractérisé par des températures d'ébullition plus basses pour une meilleure rentabilité économique. Des recherches de l’ULiège montre l'expansion de cette technique surtout dans les installations géothermiques. En termes de puissance installée (fours, moteurs) on arrive à +4%.

Aujourd'hui la technologie la plus intéressante pour le Val Saint Lambert est la production d'électricité. Lintroduction un récupérateur sur la cheminée réduira son tirage ( via une chute de température et une perte de charge) et pourra modifier le comportement du four. Le placement d'un récupérateur combiné à la boucle d’huile thermique (qui alimente l’ORC) pourront représenter 50% du coût global. C'est pourquoi, un by-pass pourrait être installé sur la cheminée afin de revenir à la configuration initiale. La difficulté, c'est de récupérer la chaleur sans modifier le process, mais ça reste intéressant. Le marché de la récupération de chaleur commence quand même à se développer.

On pourrait récupérer une puissance électrique de 10 kW, ce qui équivaut à 90000 kWh/an qui pourraient être utilisé au service du musée.

Par ailleurs, un réservoir thermique pourrait également être envisagé pour éviter les fluctuations de température. L’évaporateur de l’ORC pourrait donc être directement situé dans la cheminée avec comme inconvénient de ne pas savoir contrôler l’inertie de l’huile. Cela engendrerait d’autres enjeux techniques qui ne seraient pas l’idéal.

D'autre part, les batteries de Carnot permettent aussi de valoriser la chaleur fatale et constituent un système de stockage de l’électricité alternatif aux batteries électrochimiques. Les batteries de Carnot associent une pompe à chaleur, un stockage thermique et un ORC. L’inconvénient de ce système se trouve dans le médiocre rendement charge-décharge qui ne dépasse pas les 50%. En exploitant une source de chaleur fatale, ce rendement peut atteindre les niveaux obtenus avec des batteries électrochimiques.

Il y a une proximité technique entre les composants d'une pompe à chaleur et d'un ORC. On peut donc se demander si l’on pourrait développer une batterie de Carnot exploitant une unité réversible. Des recherches sont en cours sur le sujet à l’ULiège dans le cadre de la création d’une spin-off.

Le modèle économique n’a pas vraiment été abordé. Néanmoins, il est tout aussi important que les questions techniques. En ce qui concerne les montages économiques, il est intéressant d'avoir recours à un investisseur ou une société tierce. Le modèle économique doit prendre en compte l’octroi éventuel de certificats d'économie énergétique (c’est le cas en France) et d’aides publiques (par exemple, les aides UDE en Région wallonne).  

Retrouvez ci-dessous les présentations de cette rencontre :

La « chaleur fatale » générée par de nombreux procédés industriels constitue un vaste gisement d’énergie thermique encore souvent non-exploité. Parfois en raison de faibles niveaux de températures et/ou de capacités thermiques, parfois en raison de la difficulté technique à récupérer cette chaleur. Outre l’impact bénéfique sur les émissions de CO2, la valorisation de cette chaleur permet pourtant d’augmenter la compétitivité de secteurs industriels dont le coût de revient de la production est largement dépendant du coût de l’énergie. Dans cette conférence, nous ferons le point sur les techniques de récupération actuellement disponibles et celles faisant l’objet de travaux de R&D : récupérateurs, cycles de Rankine organiques (ORC), pompes à chaleur à haute température, batteries de Carnot, générateurs thermoélectriques, systèmes à caloducs.

En nous intéressant aux fours de la Cristallerie du Val Saint Lambert comme cas concret, nous soulignerons les avantages des systèmes de récupération de chaleur mais aussi les difficulté techniques à surmonter lors de leur implémentation.

Nous joindrons également, l'utile à l'agréable en vous proposant une démonstration de fabrication traditionnelle au coeur d'un héritage culturel et industriel « Made in Belgium ».