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Une énergie propre lorsque le système ORC récupère la chaleur résiduelle

Une source d'énergie abordable et durable est la clé de notre société moderne et de l’économie mondiale.

Cependant, avec tous les modes de production d'énergie primaire qui nous entourent, l'utilisation des sous-produits de la chaleur en tant que sources d'énergie secondaires a, jusqu'à maintenant, suscité peu d'intérêt. La ressource la plus rentable et pourtant inexploitée est la chaleur résiduelle, ou chaleur perdue.

De nombreux procédés industriels nécessitent de vastes quantités d'énergie et dégagent beaucoup de gaz d'échappement et de flux de déchets. En raison de l'inefficacité des processus et de l'incapacité des technologies existantes à récupérer la chaleur perdue, une grande partie de l'énergie utilisée dans les industries modernes est perdue et se dissipe directement dans l'atmosphère ou dans les systèmes de refroidissement. Étant donné que l'efficacité de la production d'énergie à partir de la chaleur résiduelle dépend de la température de la source de chaleur résiduelle, il n'est pas toujours pratique ou économique de récupérer la chaleur perdue à plus grande échelle. La technologie actuelle limite ce procédé aux sources de chaleur dotées de températures moyennes à élevées (supérieures à 500 °F / 260 °C), mais la majorité de la chaleur résiduelle actuellement produite atteint des températures inférieures à 300 °F / 150 °C. Cependant, de nouvelles technologies capables de prendre en charge des températures plus basses sont en train d'émerger.

Le cycle organique de Rankine (ORC) : Une solution réalisable sur le plan financier

L’une de ces technologies émergentes, le cycle organique de Rankine (ORC), réduit la demande en termes de températures et permet de récupérer la chaleur de manière économique et de la transformer en électricité. Le principe de fonctionnement de l’ORC est basé sur le cycle de Rankine, un concept bien établi décrivant le fonctionnement d’une turbine à vapeur dans les centrales électriques. Confiné dans un circuit fermé, le fluide de travail est d'abord pompé jusqu’à une chaudière où il s’évapore. Lors de son passage à travers une turbine, le fluide en phase de vapeur organique se dilate et finit par recondenser, généralement à travers un circuit d'eau fermé équipé d'un échangeur tubulaire. Le cycle thermodynamique est terminé lorsque le condensat est à nouveau pompé jusqu’à l’évaporateur. À l'inverse d’un cycle de réfrigération ordinaire, l'évaporation a lieu du côté hautes températures / haute pression et la condensation du côté basses températures / basse pression.

La diversité des fluides disponibles (hydrocarbures ou réfrigérants) et des convertisseurs d'énergie, qui vont des turbines axiales aux expandeurs à pistons ou de type Wankel, ouvre la voie à la conception de systèmes performants sur des plages de température plus larges. Cela représente également un défi pour les producteurs d'échangeurs de chaleur, qui doivent couvrir des combinaisons complexes de débits, de pressions et de températures dans des systèmes extrêmement sensibles aux pertes de charge. Par le passé, il fallait ainsi recourir à des solutions sur mesure coûteuses et encombrantes. Aujourd'hui, la plupart des cas peuvent être résolus avec des échangeurs à plaques brasées produits en série. Ces avantages techniques permettent de simplifier les procédures de démarrage/d’arrêt et d'automatiser les opérations, permettent de minimiser les opérations de maintenance et offrent de bonnes performances à charge partielle ainsi qu’un fonctionnement très fiable et silencieux.



Generating clean power in Japanese incineration plant


Ces dernières années, le développement des échangeurs de chaleur destinés aux systèmes ORC s’est accéléré. Cette accélération est particulièrement évidente au Japon, qui dispose de technologies de pointe et a besoin d’énergie pour ses industries. En outre, le pays est confronté à une exigence de diminution de sa dépendance vis-à-vis de l'énergie nucléaire. Lorsqu’Ertec a demandé à la société japonaise Daiichi Jitsugy d'installer un système ORC dans sa nouvelle centrale d'incinération des déchets, les ingénieurs de l'entreprise savaient qu'ils auraient besoin d'un échangeur de chaleur hors du commun. Ils se sont donc tout naturellement tournés vers SWEP. Daiichi et Ertec connaissent SWEP depuis la fin 2011 mais, pendant de longues années, SWEP a travaillé avec la société américaine Access Energy, qui a fabriqué la partie centrale du système ORC de l'usine. « Notre collaboration a débuté en avril 2012. Il s’agissait de notre première usine de démonstration du système ORC », explique Osamu Ito, l'ingénieur responsable du projet à Daiichi. « La première unité d'essai à Ertec utilisait nos modèles B500 », renchérit Seiichiro Misaki, directeur des ventes pour SWEP Japon. Basée dans la préfecture de Yamanashi, la centrale d'incinération privée génère maintenant une énergie propre provenant des gaz chauds générés par le processus d'incinération. Le système ORC est utilisé pour éliminer la chaleur des gaz de combustion et la convertir en énergie électrique, qui peut être utilisée sur place ou vendue à l’échelle locale.


« Comme l'unité de test fonctionnait très bien, Daiichi a voulu en accroître la capacité de 75 KW à 125 KW et atteindre une performance encore meilleure », explique Seiichiro Misaki. SWEP a réussi à répondre à ces attentes. « Nous sommes capables de calculer et de sélectionner les BPHE adaptés », explique Seiichiro Misaki, « et nous avons également des BPHE de la capacité requise. Dans de nombreux projets, nous avons surpassé nos concurrents et pu montrer une performance avérée extrêmement proche de celle suggérée par nos calculs et nos choix. » Dans le cas de cette usine, SWEP a choisi son échangeur de chaleur le plus puissant, le B649. « Ce projet se rapporte à une usine relativement petite, mais elle développe beaucoup de puissance », déclare Osamu Ito. « Notre objectif permanent consiste à produire plus d'électricité ».

Offrant au moins deux fois la capacité normale, le B649 est le plus puissant de tous les échangeurs de chaleur comparables sur le marché actuel. Sa compacité permet d'économiser de l’espace et réduit le nombre de tuyaux et de raccords requis. Ses pièces de base sont produites en Suède. Le B649 est conçu pour les réseaux de chauffage et de refroidissement collectifs ainsi que les projets industriels et de CVC : autrement dit, il peut être utilisé partout où il est nécessaire d'utiliser un BPHE compact et efficace avec de faibles pincements de température et des pressions d’exploitation élevées. Le B649 offre toutes les capacités des appareils à joints de type PHE sans l'usure des pièces. Par rapport aux autres technologies qui nécessitent des accessoires de supportage, des châssis, etc., 95 % des matériaux du B649 sont utilisés pour transférer la chaleur. Disponible en trois classes de pression différentes, y compris une classe de haute pression de 25 bar, le B649 est une source d'économies, en termes de pièces de rechange, d’espace, de consommation d'énergie, de transport et d’installation.
Bien que ces échangeurs de chaleur aient été les premières unités du nouveau modèle produites à des fins commerciales, SWEP a réussi à obtenir l’approbation du KHK (l’institut japonais de sécurité du gaz à haute pression) à temps pour procéder à son installation. « Il a obtenu de bons résultats avec son grand nombre de plaques (294 et 390 plaques) », déclare Seiichiro Misaki. Jusqu’à présent, ce projet a rencontré un succès retentissant. À la fin du mois de novembre 2013, une grande fête a été organisée à l’usine Ertec. « Nous avions invité bon nombre de nos clients sur le site », explique Osamu.
« Tout le monde était ravi et nous a félicité pour notre excellente usine. SWEP est un partenaire et fournisseur fiable. »



Le développement se poursuit 

L’application ORC utilise une source de chaleur résiduelle liquide, mais Daiichi cherche maintenant à augmenter la température et la pression du système pour utiliser une source de vapeur à la place. La source de chaleur pourrait être la même, mais la priorité de production d'électricité est plus élevée. Le système est donc exploité à une température de production d'énergie plus élevée. Le système est alimenté en énergie par un processus en cascade : la vapeur est partiellement ou entièrement condensée, tandis que le fluide de travail s’évapore. Normalement, la température d’exploitation de la vapeur se situe dans une plage de 265-355 °F/130-180 °C mais, en théorie, il n'existe pas de limite supérieure. Conçus pour maximiser l’efficacité énergétique du système et offrir des performances exceptionnelles, tous les BPHE de SWEP peuvent être utilisés à des températures relativement basses, à partir de 140-160 °F/60-70 °C. Cette technologie présente donc de nouvelles possibilités pour les sources d'énergie renouvelables aux températures limitées, telles que l'énergie solaire. Il ne fait nul doute que SWEP participera à tout développement ultérieur de cette technologie.