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RÉSUMÉ
L’industrie perd environ 20 % de l’énergie qu’elle consomme dans les fumées qu’elle rejette dans l’atmosphère. Il est fortement recommandé d’améliorer l’efficacité énergétique des procédés industriels. Pour cela, le développement des solutions techniquement efficaces et économiquement viables est indispensable. Parmi les solutions connues à ce jour, la récupération et valorisation de la chaleur fatale industrielle via le stockage thermocline est pertinente et a déjà été commercialisée. Cet article traite le principe du stockage thermocline, les matériaux développés pour ce type de stockage, et un exemple d’application industrielle.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Doan PHAM MINH : Professeur - Université de Toulouse, IMT Mines Albi, CNRS UMR 5302, Centre RAPSODEE, Campus Jarlard, Albi, France
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Yasmine LALAU : Maître assistante - Université de Toulouse, IMT Mines Albi, CNRS UMR 5302, Centre RAPSODEE, Campus Jarlard, Albi, France
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Thibaut ESENCE : Ingénieur-docteur en énergétique et génie des procédés - Eco-Tech Ceram, Balma, France
INTRODUCTION
La chaleur fatale est la chaleur générée qui n’est pas utilisée, et qui est donc rejetée dans l’atmosphère. Elle est particulièrement présente dans différents secteurs industriels tels que la céramique, la métallurgie, la verrerie, l’alimentaire, la construction, etc. Une partie de la chaleur perdue dans ces secteurs industriels se trouve sous forme de fumées chaudes. En fonction du secteur et du procédé industriel, les fumées rejetées présentent des caractéristiques différentes en termes de température, de composition, de débit et d’intermittence d’émission. À ce jour, la chaleur fatale industrielle est encore peu valorisée.
La valorisation de la chaleur fatale industrielle par le stockage thermocline apparaît comme une solution potentielle. Il s’agit d’un système de stockage constitué d’une enveloppe isolante qui est remplie d’un matériau de stockage thermique. Lors de la phase de charge, les fumées chaudes générées par un site industriel passent par cette enveloppe et cèdent la chaleur au matériau de stockage. Une zone de gradient de température (zone de thermocline) est formée au sein du matériau de stockage, qui délimite les zones chaude et froide. Cette thermocline se déplace au fur et à mesure vers la sortie de l’enveloppe de stockage. Lors de la phase de décharge, un fluide à la température ambiante (par exemple de l’air) circule dans le système et récupère la chaleur stockée, générant un fluide chaud en sortie. Ce fluide chaud est utilisé et ainsi la chaleur fatale est valorisée.
Cet article présente les gisements de chaleur fatale qui sont disponibles en France et dans le monde, les solutions de valorisation, en particulier la solution de stockage thermocline. Les fluides de transfert thermique et les matériaux de stockage thermique sont discutés. Un exemple de l’application industrielle récente de valorisation des fumées d’un site de production de céramique est présenté.
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1. Gisement de chaleur fatale industrielle
1.1 Enjeu de réduction des émissions de GES dans l’industrie
L’industrie française (hors secteur de l’énergie) représente 19 % de la consommation nationale d’énergie finale, soit environ 300 TWh/an, et une proportion équivalente des émissions de gaz à effet de serre . Ce secteur a émis 78 Mt CO2 eq en 2019, et l’objectif de la Stratégie nationale bas carbone (SNBC) est de réduire ces émissions jusqu’à 15 Mt CO2 eq en 2050. L’origine de ces émissions est à 70 % imputable aux procédés énergétiques (combustion d’énergie fossile). Les 30 % restants sont spécifiques à certains procédés de production, dont la moitié est due à la décomposition du carbonate de calcium en CO2 sous l’effet de la chaleur (décarbonatation), principalement dans la production de ciment et de chaux comme cela est illustré sur la figure 1. De plus, les objectifs de réduction des émissions ne concernent pas uniquement les émissions territoriales françaises, mais l’empreinte globale liée aux besoins des Français : c’est-à-dire qu’il faut également compter les émissions associées aux produits importés, soit 70 % du total des émissions des produits industriels. Afin de bénéficier de l’amélioration et de l’intensification des procédés en France pour diminuer cette empreinte globale, il serait nécessaire de réindustrialiser le territoire : il faudrait donc réduire les émissions industrielles nationales de 80 % pour 2050 tout en augmentant l’activité de ce secteur. Il s’agit d’un objectif très ambitieux.
Il est possible d’identifier sur la figure 2 les contributeurs industriels majeurs aux émissions de gaz à effet de serre (GES) : il s’agit des secteurs de la chimie, de la métallurgie et des matériaux non métalliques (céramiques, tuiles et briques, émail, verre).
Pour répondre à cet enjeu, il s’agit...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - Chiffres clés du climat – Édition 2022 - . Ministère de la transition écologique et de la cohésion des territoires https://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/chiffres-cles-du-climat-france-europe-et-monde-edition-2022
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(2) - Rapport SECTEN édition 2022 - , CITEPA. https://www.citepa.org/fr/secten/
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(3) - La chaleur fatale industrielle - . Ademe ISBN : 979-1-02970-895-4 (2017). https://librairie.ademe.fr/energies-renouvelables-reseaux-et-stockage/2312-chaleur-fatale-9791029708954.html
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(4) - PUSCHNIGG (S.), LINDORFER (J.), MOSER (S.), KIENBERGER (T.) - Techno-economic aspects of increasing primary energy efficiency in industrial branches using thermal energy storage - . Journal of Energy Storage, 36, p. 102344 (2021). https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102344
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(5) - Consommation finale d’énergie par secteurs - , Ministère de la transition écologique et de la cohésion des territoires https://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/consommation-finale-denergie-par-secteur-pefa?rubrique=20&dossier=171
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ANNEXES
Eco-Tech Ceram – Expertise et solutions concernant la chaleur perdue industrielle https://ecotechceram.com
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