19 Septembre 2018  |  Énergie
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 06/2018

Convertir l’énergie gaspillée en électricité

Il existe de nombreux moyens pour lutter contre le changement climatique. L’utilisation des énergies renouvelables en est un. Un autre élément clé est la récupération de l’énergie gaspillée qui est libérée lors des nombreux processus industriels et qui, malheureusement, se dégage inutilement dans l’atmosphère.

«Dans de nombreux processus industriels, les gaz de procédé se perdent inutilement dans l’atmosphère. Le point de départ était de rendre ces gaz utilisables pour la production d’électricité», explique Rolf Pfeiffer, le gérant-associé de DEPRAG. «La récupération d’énergie issue des gaz de processus n’est pas quelque chose de nouveau, mais la nouveauté réside dans le fait que, grâce à notre concept, même de petites quantités d’énergie résiduelle, allant de 5 à 200 kW, peuvent être transformées en courant dans un petit appareil compact et décentralisé conçu pour récupérer l’énergie», ajoute-t-il. Le générateur à turbine DEPRAG GET peut être utilisé partout où cette énergie inutilisée quitte le processus industriel.
 
Un projet de recherche conjoint
L’Université de Bayreuth, l’Institut de Technologie de Bavière orientale Amberg-Weiden et la société DEPRAG SCHULZ & CO ont lancé en 2011 un projet de recherche conjoint, financé par la Fondation bavaroise pour la recherche. Le but de ces travaux était de rendre exploitable l’énergie qui était jusque-là inutilisée. Les entreprises partenaires du projet réussissent ainsi à convertir efficacement leurs flux de chaleur résiduelle en énergie électrique.
 
Le générateur à turbine GET de 5 kW.
 
 
Un circuit fermé séparé
Si le potentiel énergétique inutilisé n’existe pas sous forme de pression, mais sous forme de chaleur, l’utilisation doit avoir lieu par le biais d’un circuit séparé et fermé, tel qu’un processus ORC (Organic Rankine Cycle). Sur cette base, les trois partenaires du projet ont développé une installation ORC expérimentale qui a été assemblée et testée au Centre de technologie de l’énergie (ZET) de l’Université de Bayreuth, en Bavière. Dans le cadre d’un deuxième projet de recherche (2015-2016) au sein du centre de compétence pour la cogénération, les partenaires ont optimisé la turbine ainsi que le générateur, ce qui a permis d’accroître encore l’efficacité.
Afin de présenter les résultats de la recherche, DEPRAG a organisé un événement d’information à l’Université de Bayreuth en collaboration avec les partenaires du projet. Ce jour-là, les participants ont eu l’occasion de visiter la centrale de recherche ORC, de découvrir les processus et d’en apprendre davantage sur le générateur à turbine GET intégré.
 
Le générateur à turbine
Une unité compacte, composée d’une micro-turbine à expansion et d’un générateur électrique, produit de l’électricité à partir de gaz. Sans l’armoire de commande électrique qui l’accompagne, l’expanseur n’est pas beaucoup plus gros qu’une boîte à chaussures et peut être utilisé à l’endroit où la haute pression du gaz est réduite. Jusqu’ici, l’énergie alors libérée ne servait que rarement à produire du courant et un potentiel énergétique précieux était perdu.
Particulièrement innovant, le générateur à turbine GET transforme l’énergie contenue dans le fluide de production en électricité. Le gaz pénètre dans la turbine où il est détendu par des gicleurs, rencontre la roue de la turbine et y libère son énergie. Au moyen du générateur, son énergie cinétique est transformée en énergie électrique. Au cœur de ce système, la turbine et le générateur électrique constituent une unité compacte partageant un même arbre. Ainsi, la rotation de la turbine entraîne le rotor du générateur.
Le générateur à turbine GET est disponible dans les puissances de 5 kW, 30 kW, 60 kW, 120 kW et 175 kW. Il est configuré individuellement pour chaque processus. La conception fluidique et la construction du générateur exigent la définition de paramètres de processus spécifiques: type de source d’énergie, pression d’entrée et de sortie, débit massique et températures d’entrée et de sortie.
 
Un modèle de calcul spécialement développé
Le modèle de calcul de turbine spécialement développé assiste les ingénieurs lors de la conception. L’outil est relié à une base de données de substances afin de déterminer les propriétés correspondantes aux points de fonctionnement pour une grande variété de fluides de travail. De plus, les différents modèles de pertes intégrés dans le logiciel ont été validés par des mesures, ce qui permet de définir exactement la géométrie des principaux composants dirigeant l’écoulement.
L’outil de calcul a sans cesse fait l’objet d’adaptations et d’améliorations, permettant de déterminer rapidement les caractéristiques de performance. Il en résulte une importante économie de temps et de coûts pour le client. Non seulement, grâce à ce modèle de calcul, la conception des turbines axiales à un niveau est possible en termes de mécanique des fluides, mais il permet également de calculer des turbines axiales à deux niveaux – appelées turbines Curtis – ainsi que des turbines Cantilever.
 
La présentation de la centrale de recherche ORC a suscité un vif intérêt.
 
 
Des applications polyvalentes
Le générateur à turbine GET peut être utilisé à la fois au sein d’un processus ouvert et fermé. Il peut être conçu pour différents fluides, comme l’air comprimé, le gaz naturel, le CO2, l’azote, le cyclopentane ou encore des réfrigérants comme le R245fa, le R134a et similaires.
On peut imaginer transposer la récupération d’énergie du générateur à la turbine DEPRAG dans d’autres domaines d’application. Lorsque du gaz naturel est transporté sur des milliers de kilomètres, il existe de nombreuses possibilités d’application pour les solutions GET.
 
La protection contre les explosions
Le défi majeur consiste notamment à répondre aux exigences élevées en matière de protection contre les explosions et aux diverses conditions d’homologation. Ces lignes directrices ont été respectées. La turbine à énergie verte peut être utilisée dans les stations de distribution de gaz des services publics municipaux, par exemple. Le gaz est ainsi détendu pour être amené à une pression plus basse après son transport dans les gazoducs. Lors de la réduction de pression, l’expanseur convertit l’énergie en électricité.
 
Applications en géothermie
Cependant, l’énergie thermique peut également provenir de ressources naturelles, comme la géothermie. Dans un tel cas, la chaleur de l’eau thermale qui vient des profondeurs, à une température située entre 100 et 180 °C, est envoyée via des échangeurs de chaleur dans le cycle ORC. La chaleur résiduelle est alors introduite dans un réseau de chauffage urbain avant que l’eau thermale soit renvoyée dans la terre via un autre forage.
Mais les sources de chaleur provenant d’applications stationnaires (centrales de cogénération, moteurs de navires, etc.) peuvent également être utilisées dans un processus ORC. D’une manière générale, n’importe quel moteur thermique se prête à un recyclage de l’énergie résiduelle à l’aide de turbines. Le principe de base est le suivant: même un moteur thermique fonctionnant de manière très efficace ne parvient à convertir qu’environ un tiers de l’énergie contenue dans le carburant en travail mécanique. Les deux tiers restants se perdent sous forme de chaleur dans les gaz d’échappement et l’eau de refroidissement. Une approche consiste à utiliser cette énergie thermique en se basant sur un circuit. Le générateur à turbine en constitue un élément clé. L’énergie électrique générée alimente d’autres consommateurs et améliore l’efficacité énergétique générale.
 
À propos de DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO.
L’entreprise DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO., dont le siège est à Amberg en Bavière, fait partie des leaders du marché dans le domaine des moteurs pneumatiques. Elle compte 700 employés et est représentée dans plus de 50 pays. À partir du développement et de la fabrication de différents systèmes d’entraînement pneumatiques, la technologie à turbine est devenue une nouvelle priorité au cours des dix dernières années. Ces solutions innovantes permettent de réaliser de nouvelles applications.
 
 
DEPRAG SCHULZ GMBH & CO.
D-92224 Amberg
Tél. +49 9621 371 343
www.deprag.com


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