Chaleur fatale industrielle : définition et récupération
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En tant qu'industriel, la récupération de chaleur fatale est un enjeu majeur de réduction des coûts. Le principe consiste à capter l'énergie thermique que vous perdez actuellement via vos procédés (fours, compresseurs, groupes froids) à l'aide d'équipements comme des échangeurs ou des pompes à chaleur, pour la réutiliser sur votre site. En agissant ainsi, vous réduisez vos factures énergétiques, vous baissez votre empreinte carbone et vous anticipez les futures réglementations environnementales. Cette démarche vous rend moins dépendant des marchés de l'énergie. De plus, des aides financières importantes, comme le Fonds Chaleur de l'ADEME ou les primes énergie (CEE), sont disponibles pour financer une grande partie de votre projet, rendant votre investissement rapidement rentable.
Qu'est-ce que la chaleur fatale industrielle ?
La chaleur fatale industrielle est l'énergie thermique inévitablement générée par un procédé de production, mais qui n'est ni son but, ni son produit principal. Cette chaleur est une conséquence inévitable du processus, un sous-produit obligé de la transformation de la matière ou de l'énergie, d'où le terme de « chaleur fatale ». Sans action volontaire, cette énergie est tout simplement perdue.
Par exemple, prenons le four d'une cimenterie. L'objectif premier de cet outil est de chauffer des matières premières à plus de 1400 °C pour obtenir un produit spécifique, le « clinker ». Pour atteindre cette température, le four consomme une quantité massive de combustible. Cependant, une part très importante de l'énergie thermique ne se retrouve pas dans le produit final. C'est le cas de la chaleur contenue dans les fumées qui s'échappent de la cheminée, ou celle qui rayonne des parois du four. Cette chaleur est la « chaleur fatale » de ce procédé.
L’équivalent du tiers de l’énergie consommée par le secteur industriel serait perdu en chaleur fatale. Selon l'ADEME, les déperditions liées à la chaleur fatale dans l'industrie s'élève à 109,5 TWh. Voici en détail sa répartition.
Répartition de la chaleur fatale de l’industrie (en %)
Par gisement et par température. La chaleur fatale dans l'industrie s'élève à 109,5 TWh - Source : "La chaleur fatale", ADEME, septembre 2017 - Graphique : Selectra
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Parmi les 109,5 TWh, 52,9 TWh de la chaleur fatale est à 100 degrés et plus,
Répartition de la chaleur fatale à 100º et plus dans l’industrie (en %)
Par gisement et par température. La chaleur fatale dans l'industrie s'élève à 52,9 TWh - Source : "La chaleur fatale", ADEME, septembre 2017 - Graphique : Selectra
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Cette chaleur fatale à très haute température est celle de meilleure qualité, mais aussi la plus difficile à exploiter.
L'enjeu pour les industries est donc de pouvoir récupérer cette chaleur fatale afin d'assurer d'assurer d'autres usages, et de diminuer leur consommation d'énergie globale.
La chaleur fatale pourrait être réutilisée localement pour divers usages :
- Chauffer les bâtiments ;
- Alimenter des réseaux de chaleur urbains ;
- Produire de l'électricité.
La récupération de la chaleur fatale constitue un potentiel de décarbonation de l'industrie encore largement sous-exploité en raison de contraintes techniques, économiques ou réglementaires.
Quelles sont les principales industries productrices de chaleur fatale ?
Les principales industries produisant de la chaleur fatale sont celles qui utilisent des procédés thermiques intensifs, générant de grandes quantités de chaleur résiduelle non valorisée.
Voici les principales industries concernées :
- L'industrie sidérurgique : elle produit de la chaleur fatale lors de la fusion, du moulage et du laminage de l’acier. Les hauts-fourneaux, les convertisseurs et les fours de réchauffage émettent des gaz et des fumées à haute température qui contiennent une importante énergie thermique inutilisée ;
- L'industrie chimique et pétrochimique : de nombreux procédés comme la distillation, la réaction chimique et le craquage, dégagent de la chaleur excédentaire. Cette chaleur est souvent rejetée sous forme de vapeur ou de fluides chauds, représentant un fort potentiel de récupération ;
- L'industrie du ciment : la cuisson du clinker dans les fours rotatifs nécessite des températures très élevées (environ 1450 °C), générant d’importants rejets de chaleur, notamment dans les gaz de combustion et les fumées ;
- L'industrie papetière : les procédés de séchage et de cuisson des pâtes à papier consomment beaucoup d’énergie thermique, ce qui entraîne des rejets de chaleur via la vapeur d’eau et l’air chaud ;
- L'industrie agroalimentaire : les activités comme la cuisson, la stérilisation, la pasteurisation et le séchage produisent de la chaleur fatale, souvent évacuée par les fluides de procédé ou les systèmes de ventilation ;
- Les centres de données : ils génèrent une chaleur importante provenant du fonctionnement continu des serveurs, souvent dissipée dans l’air sans être réutilisée.
Ces secteurs offrent des opportunités significatives pour la récupération et la valorisation de la chaleur fatale, par exemple, pour produire de l’électricité ou alimenter des réseaux de chaleur.
Comment récupérer ou valoriser la chaleur fatale ?
Le processus de récupération de la chaleur fatale industrielle se déroule en trois étapes :
- Un diagnostic approfondi pour identifier et comprendre les gisements de chaleur ;
- Le déploiement de technologies de captage adaptées ;
- La mise en œuvre d'un moyen de récupération pertinent.
Le diagnostic : quantifier et qualifier la chaleur perdue
Il faut commencer par un audit thermique pour cartographier tous vos rejets de chaleur.
Pour chaque source (fumées de four, eau de refroidissement, air de compresseur, etc.), l'audit thermique doit permettre d'identifier quatre informations :
- Sa température : elle détermine la qualité de votre chaleur, et donc les technologies que vous pouvez utiliser pour la valoriser, comme produire de l'électricité à haute température ou de l'eau chaude à basse température. ;
- Son débit : il permet de calculer la puissance totale que vous pouvez récupérer (en kilowatts) et ainsi de dimensionner correctement la taille de vos équipements ;
- La nature du fluide (gaz, liquide, propre ou corrosif) : elle impose le choix des matériaux et de la technologie de l'échangeur (pour résister à la corrosion, aux poussières, etc.) afin de garantir la durabilité de l'installation ;
- Sa disponibilité dans le temps (continue ou par cycles) : elle indique si vous pouvez utiliser la chaleur en direct ou si vous devez prévoir un système de stockage pour faire correspondre sa production à vos besoins.
À l'issue de cet audit, les gisements de chaleur sont classifiés selon leur potentiel :
- La chaleur à haute température, supérieure à 400 °C, que l'on trouve typiquement dans les fumées des fours de verrerie ou de cimenterie, est considérée de la plus haute qualité. Elle peut être facilement convertie en électricité ou réutilisée pour des procédés thermiques exigeants ;
- La chaleur à moyenne température, entre 100°C et 400 °C, issue des échappements de chaudières ou de fours de traitement thermique. Elle est idéale pour produire de la vapeur ou de l'eau chaude ;
- La chaleur à basse température, inférieure à 100 °C, est la plus abondante, mais aussi la plus difficile à valoriser, à cause de contraintes techniques.
Le captage : choisir la bonne technologie pour extraire l'énergie
Une fois la source de chaleur identifiée, il faut choisir la technologie adéquate pour l'extraire.
L'outil le plus fondamental et le plus répandu est l'échangeur de chaleur. Son principe est de transférer l'énergie thermique d'un fluide chaud vers un fluide froid sans jamais les mélanger, à travers une paroi conductrice. Selon la nature des fluides et les contraintes de pression, vous pouvez opter pour 2 types d'échangeurs.
- Des échangeurs à plaques, très compacts et efficaces pour les liquides ;
- Des échangeurs tubulaires, plus robustes et adaptés aux gaz chargés ou aux hautes températures.
La chaleur à basse température peut être valorisée sous la forme de production d'eau chaude via l'utilisation d'une pompe à chaleur (PAC) à haute température.
La PAC agit comme un amplificateur thermique : elle capte les calories d'un rejet à 30 °C, par exemple, et utilise un cycle thermodynamique pour « pomper » cette énergie vers un niveau de température plus élevé, produisant ainsi de l'eau à 80 °C ou plus.
La chaleur à moyenne et haute température peut être utilisée pour produire de l'électricité, en utilisant les systèmes à Cycle Organique de Rankine (ORC). Ils fonctionnent comme une mini-centrale électrique, utilisant la chaleur pour vaporiser un fluide organique qui, en se détendant, fait tourner une turbine couplée à un alternateur.
Certains secteurs comme l'agroalimentaire ou la chimie utilisent la Compression Mécanique de Vapeur (CMV). Elle cible les buées de séchage ou d'évaporation. Au lieu d'être rejetée, cette vapeur à basse pression est aspirée par un compresseur. Cette action mécanique augmente sa pression et, par conséquent, sa température, la rendant directement réutilisable dans le même procédé. Cela crée une boucle énergétique vertueuse et très performante.
Valoriser l'énergie récupérée en lui donnant un nouvel usage
Enfin, l'énergie captée doit trouver une application concrète. Souvent, le plus direct et le plus rentable est que le site industriel ayant récupéré cette énergie la réutilise lui-même. La chaleur peut être réinjectée directement dans le cœur du procédé, par exemple, pour préchauffer les matières premières ou l'air de combustion d'un four. C'est l'option au rendement le plus élevé. Alternativement, elle peut servir d'autres besoins, comme la production d'eau chaude pour le nettoyage des installations, le chauffage des ateliers et des bureaux, ou même la production de froid via des machines à absorption.
Lorsque les besoins internes sont couverts ou inadaptés, l'industrie peut envisager de faire valoriser sa chaleur fatale en externe. Par exemple, la chaleur fatale peut être exportée via un réseau de chaleur voué à distribuer l'énergie à différents acteurs :
- D'autres usines ;
- Des bâtiments municipaux ;
- Des serres agricoles ;
- Des logements collectifs ;
- Etc.
L'industrie devient alors fournisseur d'énergie pour les acteurs situés sur le même territoire. Pour éviter le décalage entre la production et l’utilisation de chaleur, on stocke celle-ci dans de grands ballons d’eau chaude bien isolés.
Comment faire financer son projet de récupération de la chaleur fatale ?
Pour faire financer votre projet de récupération de chaleur fatale, deux dispositifs financiers principaux existent en France. Il est souvent possible de les cumuler pour optimiser votre plan de financement.
Grâce au Fonds Chaleur de l'ADEME
Le Fonds Chaleur, géré par l'ADEME, propose une subvention directe pour les projets de récupération de chaleur d'au moins 1 GWh/an et dont le coût est supérieur à 100 000 €. Cette aide couvre une partie des investissements dans les équipements de récupération (échangeurs, pompes à chaleur), de valorisation, ainsi que les coûts d'installation et de mesure.
Le montant de cette subvention dépend du type de système installé, et de la taille de votre entreprise.
Pour un système de récupération et de valorisation de chaleur fatale, y compris pour un système de stockage ou un système de production de froid, le montant du Fonds Chaleur de l'ADEME peut atteindre jusqu'à :
- 50 % des coûts éligibles pour une petite entreprise ;
- 40 % pour une moyenne entreprise ;
- 30 % pour une grande entreprise.
Pour un système de récupération et de valorisation de chaleur fatale associée à un système PAC, y compris avec un système de stockage, le montant du Fonds Chaleur de l'ADEME peut atteindre jusqu'à :
- 60 % des coûts éligibles pour une petite entreprise ;
- 50 % pour une moyenne entreprise ;
- 40 % pour une grande entreprise.
Pour en bénéficier, vous devez déposer votre demande en ligne sur la plateforme de l'ADEME avant de signer tout bon de commande ou contrat engageant le projet. Votre dossier technique et financier doit être solide et inclure une étude de faisabilité afin de prouver la viabilité et la performance de votre projet.
Grâce au dispositif des Certificats d'Économies d'Énergie (CEE)
Le dispositif des Certificats d’Économies d’Énergie (CEE) impose aux fournisseurs d’énergie (gaz, électricité, carburants, chaleur, etc.) de financer des actions permettant de réduire la consommation énergétique. Les économies réalisées sont mesurées en kWh Cumac et validées à partir de fiches CEE qui définissent, pour chaque technologie ou opération, le gain énergétique reconnu. Dans l’industrie, la récupération de chaleur fatale est une opération éligible à ce dispositif.
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Votre projet de récupération de chaleur fatale peut être en partie financé via une fiche d'opérations standardisées. Voici quelques exemples de fiches CEE standardisées portant sur des projets de récupération de chaleur fatale :
- RES-CH-108 : Cette fiche finance les opérations de récupération de chaleur fatale vers un réseau de chaleur ou un site tiers ;
- IND-BA-112 : Cette fiche finance la mise en place d'un système pour récupérer la chaleur émise par une tour aéroréfrigérante ;
- IND-UT-103 : Cette fiche finance l'installation d'un équipement pour récupérer la chaleur dégagée par un compresseur d’air ;
- IND-UT-117 : Cette fiche finance l'installation d'un système pour récupérer la chaleur émise au condenseur d'un groupe de production de froid ;
- IND-UT-137 : Cette fiche finance la mise en place d'une pompe à chaleur pour augmenter le niveau de température d'une chaleur fatale déjà récupérée ;
- IND-UT-117 : Cette fiche finance la récupération de la chaleur fatale sur un groupe froid ou un compresseur d'air.
Le montant de la prime CEE dépend de la quantité d'énergie économisée, calculée selon les règles de ces fiches. Pour en bénéficier, vous devez signer un contrat avec un fournisseur d'énergie ou un acteur spécialisé avant de vous engager dans le projet (signature de devis, etc.).
La prime énergie est cumulable avec le Fonds Chaleur de l'ADEME. Seule limite : chaque fiche CEE ne peut financer qu'une seule opération de récupération de la chaleur fatale pour un même site industriel.
Pourquoi récupérer sa chaleur fatale industrielle ?
Récupérer votre chaleur fatale industrielle répond à plusieurs enjeux majeurs pour votre entreprise.
Pour réduire vos factures énergétiques
En réutilisant l'énergie que vous avez déjà payée, mais qui est actuellement perdue, vous diminuez directement votre consommation de gaz, de fioul ou d'électricité. Chaque kilowattheure récupéré est un kilowattheure que vous n'achetez pas, ce qui se traduit par des économies significatives et immédiates sur vos coûts de production.
Pour sécuriser votre approvisionnement énergétique et gagner en indépendance
La valorisation de votre propre chaleur vous rend moins dépendant des fournisseurs d'énergie externes et de la volatilité des prix de l'électricité et du gaz sur les marchés. Vous produisez une partie de votre énergie localement, ce qui stabilise vos coûts à long terme et protège votre activité contre les fluctuations et les risques de pénurie.
Pour décarboner votre activité et répondre aux attentes environnementales
En réduisant votre consommation en énergies fossiles, vous réduisez mécaniquement vos émissions de gaz à effet de serre. La récupération de chaleur est l'un des leviers les plus directs et les plus rentables pour améliorer votre bilan carbone et valoriser votre image d'entreprise responsable auprès de vos clients et partenaires.
Pour anticiper les futures réglementations et éviter les contraintes.
Investir dans la récupération de chaleur aujourd'hui vous permet d'anticiper l'évolution de la réglementation en vigueur. Les réglementations européennes, comme la Directive sur l'efficacité énergétique et leurs transpositions nationales, se durcissent pour atteindre les objectifs climatiques. Des obligations de valorisation de la chaleur fatale commencent à émerger pour certains grands consommateurs, comme les centres de données, mais aussi pour les sites industriels. En vous équipant de façon proactive, vous évitez les futurs coûts de conformité et vous positionnez en leader sur le marché.