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Les applications industrielles de l’électricité


L’amélioration de l’efficacité énergétique dans l’industrie et le remplacement de sources fossiles par de l’électricité vont modifier la répartition des usages de l’électricité en industrie. Les moteurs électriques semblent représenter le gisement d’amélioration de l’efficacité énergétique le plus important, pour lequel certaines technologies sont déjà disponibles et matures, d’autres en développement. La France fait partie des leaders mondiaux pour les moteurs de forte puissance. Des placements électriques à court et moyen terme pourront concerner la récupération de chaleur via les pompes à chaleur et la compression mécanique de vapeur, pour lesquels les technologies sont matures mais nécessitent des adaptations à ce type d’utilisation. À plus long terme (peu probable avant 2030), le développement de l’électrolyse de l’eau pour la production d’hydrogène, notamment de l’électrolyse haute température, pourrait venir se substituer au vaporeformage de gaz naturel dans certains secteurs. Enfin, une rupture pourrait venir de nouvelles utilisations des fours électriques, notamment dans le secteur du raffinage, mais le stade de la recherche n’a pas encore été dépassé.



Progrès technologiques sur les composants


Les pompes à chaleur (placement attendu : 8 TWh/an), par un élargissement de leur domaine de fonctionnement aux hautes (60-100 °C) et très hautes (100-140 °C) températures, permettraient la récupération de la chaleur dans les rejets industriels jusqu’à 100 °C, non valorisables par échangeurs thermiques. Actuellement, des pilotes industriels fonctionnent à 100 °C. Les verrous technologiques tiennent à la montée en température : ils concernent les fluides frigorigènes (compatibilité avec des températures élevées, sécurité élevée – non toxique, non inflammable, bonnes performances, respect de l’environnement) et les compresseurs (tenue en pression et température, huile compatible avec le fluide, performances adaptées). Les technologies très hautes températures (THT) sont encore émergentes (trois brevets en France, stade pilote). La PAC THT 140 °C devrait être testée en laboratoire à partir de décembre 2011 et une mise en place sur site industriel doit avoir lieu en décembre 2012. Un démonstrateur de PAC THT 160 °C est prévu pour 2016. Les principales industries concernées sont la chimie, l’industrie agroalimentaire (IAA) et la papeterie (voire le nucléaire et la métallurgie). L’une des difficultés pratiques est le couplage entre le process initial et celui utilisant la chaleur récupérée : a priori il faut que le second ne gêne pas le premier ou prévoir un stockage intermédiaire ou complémentaire de chaleur.

La compression mécanique de vapeur (CMV) (placement attendu : 1,7 TWh/an) est une technologie mature, qui consiste à récupérer de la vapeur « usagée » et à lui redonner, par compression, des niveaux de température et de pression utiles dans le procédé. L’obstacle à sa diffusion est le coût élevé des équipements, dû à la complexité du traitement des buées. Cette technologie est classiquement utilisée pour la distillation et la concentration par évaporation (notamment dans le dessalement de l’eau de mer) : la concentration de liquides par évaporation avec CMV est une technique mature. Les développements portent essentiellement sur les nouvelles applications, dont la concentration des effluents, en raison des contraintes environnementales, notamment dans le domaine de l’industrie mécanique. La valorisation des rejets thermiques dans les secteurs de la parachimie et des IAA est une autre application possible de la CMV. Le verrou principal au développement de cette technologie réside dans la standardisation des matériels, nécessaire pour conduire à des gains sensibles sur l’investissement. Comme pour les PAC, une des difficultés pratiques est le couplage entre le process initial et celui utilisant la chaleur récupérée.

Les moteurs électriques utilisés en industrie représentaient, en 2007, 70,5 % de la consommation électrique industrielle. Le gisement d’économie d’énergie est de 23,4 TWh/an, permis par des évolutions technologiques incrémentales. Les actions à mettre en oeuvre à l’échelle industrielle font référence à des technologies matures : moteurs asynchrones de classe d’efficacité IE2 (diffusion industrielle) et IE3 (diffusion industrielle), variation électronique de vitesse avec un moteur synchrone à aimants permanents (technologie naissante, réalisations industrielles encore rares, mais développement industriel envisageable avant 2030), amélioration de la transmission entre le moteur et la machine entraînée (diffusion industrielle), gestion technique centralisée pour des utilités (diffusion industrielle). Le développement de moteurs à aimants sans électronique de pilotage pourrait constituer un saut technologique, permettant une plus large diffusion des moteurs économes en énergie. Le taux de renouvellement annuel des moteurs en industrie est de 5 %, il faudra donc attendre 2020 pour que la moitié des moteurs du parc actuel fassent l’objet de mesures d’amélioration de l’efficacité énergétique.

La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau (placement attendu : 25 TWh/an) fait partie des technologies susceptibles de remplacer la production d’hydrogène par vaporeformage de gaz naturel dans certains secteurs à moyen-long terme. L’électrolyse alcaline est une technologie arrivée à maturité industrielle. L’électrolyse haute température (EHT), en développement, présente l’avantage d’avoir un rendement énergétique élevé (entre 90 % et 100 %). L’énergie nécessaire à la dissociation de l’eau peut être apportée sous forme d’électricité ou de chaleur : plus la température augmente, plus la quantité d’énergie qu’il faut fournir sous forme d’électricité diminue. Deux technologies sont développées : l’électrolyse à 500-600°C, au stade de recherche, et l’électrolyse à 800-1 000 °C, au stade du développement de petits prototypes. Le principal verrou technologique est la dégradation des matériaux dans les conditions de fonctionnement, qui nuit à la rentabilité économique du système. L’étude des causes de dégradation et l’optimisation des cellules en termes de matériau et microstructures pourraient lever ce verrou. Si les efforts en R & D sont mais ne devraient pas être compétitifs avant 2030-2040 (cela dépendra fortement de l’évolution de la contrainte carbone). L’EHT nécessite cependant une charge constante, ce qui pose la question de l’interruptibilité du procédé.

À plus long terme, des procédés concurrentiels seraient les procédés biologiques ou thermochimiques, mais ils sont encore loin de la maturité industrielle. La production d’hydrogène à partir d’électricité permettra son utilisation sur site, sans transport ni stockage, notamment dans les secteurs de l’ammoniac (pour les nouvelles unités), de la production de carburants liquides à partir de biomasse (pour équilibrer le ratio H2/CO), de la sidérurgie (pour la réduction du minerai de fer dans les unités de production déjà existantes), et pour la production d’Hythane®.

L’électrolyse directe du minerai de fer à partir d’électricité est un procédé de rupture à l’étude, qui fait l’objet de développement à l’échelle de pilote de laboratoire permettant de produire quelques kilogrammes de fer. Le déploiement industriel semble encore lointain (au-delà de 2030), des difficultés techniques persistant. Aujourd’hui, l’électrolyse directe du minerai de fer, très peu utilisée, se fait avec du gaz naturel principalement (procédé MIDREX, déjà appliqué dans quelques unités sidérurgiques). Par ailleurs, l’électrolyse directe est déjà employée dans la production de zinc, aluminium et nickel.

Les fours électriques (placement attendu : 10 TWh/an dans le secteur du raffinage)pourraient connaître un renouveau dans les industries du raffinage, avec le développement de fours à induction, et dans l’industrie du recyclage des métaux, avec les fours à arc, technologie mature utilisée essentiellement dans l’industrie de la métallurgie. L’utilisation de l’induction dans l’industrie est un procédé classique, les évolutions technologiques sont d’ordre incrémental. La rupture technologique pourrait venir de l’utilisation de l’induction dans de nouveaux secteurs, notamment celui du raffinage, pour le chauffage d’hydrocarbures. Le développement d’un four électrique, en particulier d’un four multitubulaire à induction (piste privilégiée), constituerait une réelle rupture technologique. Le chauffage électrique donnerait lieu à une régulation plus fine des transferts de chaleur, à une efficacité de transfert élevée et à une augmentation de la sécurité du procédé. Une autre évolution technologique pourrait provenir de l’utilisation de fours à induction à bobines supraconductrices dans l’industrie de l’aluminium, lesquels permettraient d’améliorer l’efficacité énergétique de l’induction de 30 points par rapport à l’induction classique. Le principe semble validé, un tel four fonctionne déjà en Allemagne.

Industrie et acteurs français


S’agissant de l’offre en moteurs électriques, le français Leroy-Somer est l’un des leaders pour les moteurs de grosse puissance (supérieure à 100 kW). Les principaux concurrents sont allemands (ABB, Siemens, etc.), brésiliens (Weg), les moteurs asiatiques étant globalement de moindre qualité. Pour les plus petits moteurs, fabriqués en grande série, les pays de l’Est sont mieux placés.

Concernant les PAC hautes températures, un projet français (VALENTHIN) vise à exploiter le gisement thermique des industries chimiques, papetières et de traitement de déchets dans la région lyonnaise. Il prévoit la mise en oeuvre de démonstrateurs de PAC 160 °C de 2 MW à l’horizon 2016.

Pour les fours électriques, une collaboration Total RM et EDF R & D prévoit la construction d’un pilote semi-industriel en 2015, lié à la meilleure technologie retenue à l’issue de la phase d’étude du projet. Le principe de fonctionnement du four reposerait sur l’induction.