Récupération de Chaleur Industrielle : Méthodes et Technologies Actuelles
L’industrie française rejette chaque année des quantités considérables de chaleur fatale dans l’atmosphère. Selon l’ADEME, le potentiel de récupération de chaleur industrielle en France dépasse les 100 TWh par an, soit l’équivalent de la consommation énergétique de plusieurs millions de foyers. Dans les installations de chauffage à huile thermique, les sources de chaleur récupérable sont nombreuses : fumées de combustion, purges de process, refroidissement de produits et rejets d’air chaud. Exploiter ces gisements de chaleur constitue un levier majeur de compétitivité et de décarbonation.
Les échangeurs de chaleur tubulaires
Les échangeurs tubulaires, également appelés échangeurs à faisceau de tubes, représentent la technologie la plus répandue dans l’industrie du transfert thermique. Leur principe repose sur la circulation de deux fluides séparés par des parois métalliques : le fluide chaud circule dans les tubes tandis que le fluide froid circule dans la calandre qui entoure le faisceau.
Les échangeurs tubulaires se déclinent en plusieurs configurations selon les contraintes du process. Le modèle à tête flottante permet de compenser les dilatations différentielles entre le faisceau et la calandre, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications à haute température. Le modèle à plaques tubulaires fixes offre une construction plus simple et un coût réduit pour les applications où l’écart de température entre les deux fluides reste modéré.
Dans le cadre de la récupération de chaleur sur les circuits d’huile thermique, les échangeurs tubulaires sont couramment utilisés pour préchauffer l’eau de process, chauffer des cuves de stockage ou alimenter des réseaux de chauffage de locaux. Leur robustesse et leur résistance à l’encrassement en font un choix privilégié pour les environnements industriels exigeants. Les surfaces d’échange peuvent être augmentées par l’ajout d’ailettes sur les tubes, ce qui améliore le coefficient de transfert thermique global de 30 à 50 %.
Les échangeurs à plaques
Les échangeurs à plaques constituent une alternative compacte et performante aux échangeurs tubulaires. Composés d’un empilement de plaques métalliques ondulées séparées par des joints, ils offrent une surface d’échange très importante dans un volume réduit. Le coefficient de transfert thermique d’un échangeur à plaques est généralement deux à cinq fois supérieur à celui d’un échangeur tubulaire de taille équivalente.
Cette technologie excelle dans les applications de récupération de chaleur à moyenne température, typiquement entre 80 et 200 °C. Les plaques en acier inoxydable conviennent à la majorité des fluides industriels, tandis que des matériaux spéciaux comme le titane ou le Hastelloy sont utilisés pour les fluides corrosifs.
Les échangeurs à plaques brasées, dépourvus de joints, supportent des pressions et des températures plus élevées que les modèles à joints classiques. Ils sont particulièrement adaptés à la récupération de chaleur sur les circuits secondaires d’huile thermique, où les températures peuvent atteindre 250 °C. Leur principal inconvénient réside dans leur sensibilité à l’encrassement, qui nécessite un programme de nettoyage régulier et une filtration efficace des fluides en amont.
Récupération de chaleur sur les fumées de combustion
Les fumées de combustion représentent la source de chaleur fatale la plus importante dans une installation de chauffage à huile thermique. Elles quittent la chaudière à des températures comprises entre 200 et 350 °C et contiennent entre 8 et 15 % de l’énergie totale du combustible.
La récupération de cette énergie s’effectue au moyen d’économiseurs installés dans le conduit de fumées en aval de la chaudière. Deux types d’économiseurs sont couramment utilisés. Les économiseurs à tubes à ailettes, constitués de tubes en acier munis d’ailettes en aluminium ou en acier, sont adaptés aux fumées propres du gaz naturel. Les économiseurs à tubes lisses en acier inoxydable ou en fonte résistent mieux à la corrosion et conviennent aux fumées chargées de soufre issues du fioul.
La contrainte principale de la récupération sur fumées est le risque de condensation acide. Lorsque la température des fumées descend en dessous du point de rosée acide, les vapeurs d’acide sulfurique se condensent sur les surfaces métalliques et provoquent une corrosion rapide. Pour le gaz naturel, ce seuil se situe aux alentours de 55 °C, ce qui autorise une récupération poussée grâce à des condenseurs en inox. Pour le fioul, le point de rosée acide avoisine 160 °C, limitant davantage les possibilités de refroidissement des fumées.
Le préchauffage de l’air de combustion
Le préchauffage de l’air de combustion constitue l’une des méthodes les plus directes pour améliorer le rendement global d’une chaudière. En utilisant la chaleur résiduelle des fumées pour réchauffer l’air entrant dans le brûleur, on réduit la quantité de combustible nécessaire pour atteindre la température de flamme souhaitée.
Les récupérateurs air-fumées se présentent sous deux formes principales. Les récupérateurs statiques, ou récupérateurs à surface, fonctionnent sur le principe de l’échange à travers une paroi métallique. Les récupérateurs rotatifs, ou roues thermiques, utilisent une matrice tournante qui absorbe la chaleur des fumées puis la restitue à l’air frais. Les récupérateurs rotatifs offrent des rendements d’échange supérieurs mais présentent un risque de fuite entre les circuits d’air et de fumées.
Préchauffer l’air de combustion de 20 °C à 200 °C permet d’économiser environ 8 à 12 % de combustible sur une chaudière à huile thermique. Cette économie est d’autant plus significative que la température des fumées en sortie de chaudière est élevée. Le préchauffage de l’air améliore également la stabilité de la flamme et la qualité de la combustion, ce qui réduit les émissions de monoxyde de carbone et d’imbrûlés.
La cogénération chaleur-électricité
La cogénération consiste à produire simultanément de la chaleur et de l’électricité à partir d’une même source d’énergie primaire. Dans les installations thermiques industrielles, la cogénération peut être intégrée sous plusieurs formes selon la puissance disponible et les besoins du site.
Les turbines à vapeur exploitent la chaleur résiduelle pour produire de la vapeur haute pression qui entraîne un alternateur avant d’être détendue pour alimenter le process. Les moteurs à combustion interne, fonctionnant au gaz naturel, produisent de l’électricité tout en fournissant de la chaleur récupérable sur les gaz d’échappement et le circuit de refroidissement. Les cycles organiques de Rankine, appelés ORC, sont particulièrement adaptés à la valorisation de sources de chaleur à basse température, entre 80 et 300 °C, ce qui correspond exactement à la plage de fonctionnement des installations à huile thermique.
Un système ORC couplé à une installation de chauffage à huile thermique peut convertir entre 10 et 20 % de la chaleur récupérée en électricité. Le rendement global du système, combinant chaleur utile et production électrique, dépasse alors 85 %. Le retour sur investissement d’une installation ORC se situe entre quatre et sept ans selon les tarifs de rachat de l’électricité et les subventions disponibles.
Le stockage thermique
Le stockage thermique permet de découpler la production de chaleur de sa consommation, offrant ainsi une flexibilité accrue dans la gestion énergétique du site. Les excédents de chaleur produits pendant les périodes de faible demande sont accumulés dans un réservoir, puis restitués lors des pics de consommation.
Trois technologies de stockage thermique sont applicables aux installations industrielles. Le stockage par chaleur sensible utilise de grands volumes d’eau ou d’huile thermique maintenus à haute température dans des cuves isolées. Le stockage par chaleur latente exploite les matériaux à changement de phase, comme les sels fondus ou les paraffines, qui absorbent et restituent de grandes quantités d’énergie lors de leur fusion et solidification. Le stockage thermochimique, encore au stade de développement, repose sur des réactions chimiques réversibles offrant des densités énergétiques très élevées.
Pour les installations à huile thermique, le stockage par chaleur sensible dans des cuves d’huile est la solution la plus immédiatement déployable. Un réservoir de 50 m3 d’huile thermique avec un écart de température de 100 °C stocke environ 4 MWh d’énergie thermique, ce qui permet de couvrir les pointes de demande sans surdimensionner la chaudière.
Vers une approche intégrée de la récupération de chaleur
La récupération de chaleur industrielle atteint son plein potentiel lorsque les différentes technologies sont combinées dans une approche systémique. L’audit thermique du site identifie les sources et les puits de chaleur, puis un schéma d’intégration thermique optimise les flux d’énergie entre les différents postes. Cette démarche, connue sous le nom d’analyse pinch, permet de minimiser les besoins en énergie externe tout en maximisant la valorisation de la chaleur fatale.
La transition énergétique industrielle passe nécessairement par la maîtrise de ces technologies de récupération. Chaque kilowattheure de chaleur valorisé est un kilowattheure de combustible économisé et une réduction correspondante des émissions de gaz à effet de serre.
