La décarbonation de la chaleur industrielle reste un problème majeur dans l’optique de la neutralité carbone. Le module de chaleur verte GHM permet d’y répondre en faisant le lien entre les besoins de l’industrie et les énergies d’origine renouvelable.
La décarbonation est devenue une obligation pour l’Union européenne
L’objectif de neutralité climatique retenu par l’Union européenne (UE) à horizon 2050 est considéré comme ambitieux mais possible. Les émissions nettes de gaz à effet de serre (GES) dans l’UE ont baissé de 23 % entre 1990 et 2018. Pour atteindre l’objectif 2050, il faut viser une cible de réduction à moyen terme (2030) d’au moins 50 % par rapport à 1990, ce qui ne laisse que 10 ans pour réaliser la même réduction des émissions de GES que celle obtenue au cours des 30 dernières années. Il est certain qu’un objectif aussi ambitieux ne peut être atteint avec une seule solution. À une échelle mondiale, environ 10 % des émissions de GES proviennent aujourd’hui de la production de chaleur industrielle, soit autant que les GES combinés des voitures et des avions. Cependant, la génération de chaleur pour les processus industriels est très spécifique et complexe car elle requiert des niveaux élevés de température et de pression.
La chaleur industrielle est un géant endormi : elle permet la production d’électricité et répond aux besoins de quasiment tous les processus industriels. Trois quarts de l’énergie consommés dans l’industrie en Europe dans le secteur industriel le sont pour le chauffage ou le refroidissement (208,8 Mtep). Près d’un quart est utilisé sous forme d’électricité pour alimenter des machines ou l’éclairage (73,3 Mtep). La décarbonation industrielle passe donc inévitablement par des solutions innovantes de production de « chaleur verte ».
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Ombres et lumières dans la décarbonation industrielle
Les ombres : Contrairement au secteur de l’électricité, aucun progrès sensible n’a été fait jusqu’ici pour décarboner la génération de chaleur industrielle.
Les lumières : La génération d’électricité devient exempte de CO2 : le développement des énergies renouvelables est un succès sans précédent et, en moins de 20 ans, les énergies solaire et éolienne se sont révélées en mesure de produire une électricité moins chère que les systèmes d’énergie conventionnels utilisant le lignite, le charbon ou le gaz naturel. Régulièrement, les enchères pour l’électricité d’origine photovoltaïque atteignent des prix de fourniture inférieurs à 20 €/MWh. Des records ont été atteints au Portugal (11 €/MWh) et même en Allemagne (35 €/MWh). De plus, la technologie éolienne en mer permet d’atteindre des facteurs de capacité de plus de 50 % en amenant les prix de l’électricité en-dessous de 50 €/MWh.
En outre, la technologie photovoltaïque commence à supplanter le charbon, le pétrole et le gaz naturel dans la génération de chaleur, simplement en utilisant des systèmes de chauffage à résistance pour convertir l’électricité en chaleur. Les pénalités pour l’utilisation du charbon ou les fuites de méthane accéléreront encore davantage cette tendance vers la chaleur renouvelable.
La tour solaire avec récepteur en céramique et stockage
Dans ce contexte, la société d’ingénierie et de construction de centrales Kraftanlagen München GmbH (KAM) a lancé un programme de R&D au milieu des années 2000 visant à développer un système industriel de production et de stockage de chaleur à haute température exempte de CO2 afin de générer de l’électricité et de la vapeur.
Le projet de démonstration de tour solaire de Jülich d’une puissance électrique de 1,5 MW avec une capacité de stockage d’énergie thermique de deux heures à pleine charge, a ainsi été développé et réalisé par Kraftanlagen München en 2009. Il utilise simplement l’air ambiant et l’eau comme fluides de transfert de chaleur, et la céramique dans les composants clés. Une mise à l’échelle du récepteur et du stockage de l’énergie thermique permettrait d’atteindre une capacité de stockage de 18 heures et donc de produire de l’électricité 24h/24 et 7j/7 comme une centrale conventionnelle. Il s’agit d’une solution robuste et souple, supportant les changements de charge sur le récepteur entraînés par la dynamique naturelle des rayonnements solaires. De plus, l’utilisation de l’air et de l’eau est une solution écologique comparée aux sels fondus ou aux huiles synthétiques utilisés actuellement.
Source : DR
Le module de chaleur verte : le Green Heat Module (GHM)
Les faibles coûts de production atteints par l’électricité d’origine renouvelable (EnR) changent la donne en permettant de chauffer directement le stockage d’énergie thermique grâce au module GHM mis au point par Kraftanlagen.
Par rapport à la solution de centrale à concentration (CSP), cette façon de procéder offre des avantages spécifiques :
- un stockage supplémentaire pour l’électricité EnR produite sur le réseau à grande échelle ;
- l’équilibrage entre l’électricité EnR intermittente et les profils de charge propres à la chaleur industrielle ;
- la possibilité d’un chauffage industriel vert couplant l’électricité EnR et la chaleur ;
- le fonctionnement dans des régions où le photovoltaïque est efficace mais où le CSP est limité.
L’électricité EnR est peu coûteuse et exempte de CO2, mais sa disponibilité est par essence incertaine. Ce problème est traité par le GHM : ce dernier constitue le chaînon manquant entre la production d’électricité EnR, peu coûteuse mais volatile, et les profils spécifiques de demande de chaleur du côté industriel. Le GHM se compose de composants de chauffage électrique modulaires, d’un stockage également modulaire et d’un échangeur thermique connecté à l’usine. Les modules de chauffage électrique alimentés par de l’électricité verte chargent le stockage d’énergie thermique. La chaleur est ensuite déchargée à la demande directement dans le processus industriel via un flux d’air chaud ou indirectement via un échangeur thermique et un fluide de transfert à des températures et à des pressions allant jusqu’à 900 °C et 350 bars.
Une innovation pour le chauffage vert industriel
Le GHM de Kraftanlagen München établit la correspondance entre les EnR à bas coût et la demande des clients industriels en quête de solutions de décarbonation. Le GHM intéresse les usines de dessalement et de nombreuses industries utilisatrices d’énergie et de chaleur, de sels, de sucre, de café, de ciment, et bien d’autres industries dans l’UE et au Moyen-Orient. Ces innovations sont soutenues par les gouvernements et par l’UE. Dans le Sud de la France, associé au photovoltaïque ou à l’éolien en mer, le GHM représente un grand potentiel de décarbonation des applications de chaleur industrielle à grande échelle pour un coût nettement inférieur à celui de l’hydrogène vert.
