Une machine à cycle organique de Rankine (ORC) (ou Organic Rankine Cycle (ORC) en anglais) est une machine thermodynamique produisant de l’électricité à partir de chaleur (dont chaleur fatale industrielle, ou chaleur renouvelable), en utilisant un cycle thermodynamique de Rankine mettant en œuvre un composé organique comme fluide de travailCycles organiques de Rankine (ORC), cours en ligne de Mines ParisTech.
Histoire Depuis plus de deux siècles, la thermodynamique a permis de comprendre comment transformer l'énergie thermique (chaleur) en énergie mécanique (travail, électricité). Cette transformation est réalisée grâce à des cycles thermodynamiques théorisés par Carnot dont un des plus connus est le cycle de Rankine.
Le cycle de Rankine, qui tient son nom de William Rankine (savant écossais du ), est un procédé utilisé dans toutes les centrales à vapeur pour transformer l’énergie thermique en énergie électrique.
Principe de fonctionnement
400px|thumb|Diagramme entropique du cycle de Rankine avec l'eau comme fluide de travail
Le cycle de Rankine fonctionne de la manière suivante : un fluide de travail est chauffé puis vaporisé grâce à une source de chaleur. La vapeur produite est ensuite détendue dans une turbine pour produire de l'énergie mécanique puis de l'électricité grâce à un alternateur générateur d'électricité qui convertira cette énergie mécanique en énergie électrique. La vapeur détendue est ensuite condensée pour fermer le cycle thermodynamique et fonctionner ainsi en circuit fermé (cf. schéma ci-contre).
La technologie des cycles de Rankine est utilisée dans les centrales traditionnelles à vapeur d’eau pour produire de l’électricité à partir de chaleur haute température et de manière essentiellement centralisée.
Les machines ORC permettent d’adapter ce principe pour produire de l’électricité à partir de chaleur basse et moyenne température et de manière décentralisée, en remplaçant la vapeur d’eau des cycles de Rankine par un fluide réfrigérant dit « organique » (issu de la chimie du carbone). Les spécialistes s’accordent à dire que la machine à vapeur (moteur ou turbine) peut être présentée comme l’ancêtre, et un cas particulier pour lequel le fluide utilisé est de l’eau, de la famille des machines à cycle de Rankine. La branche ORC de cette grande famille étant de loin la plus fournie.
La science de la thermodynamique met en avant le fait que la chaleur et l’électricité sont deux formes d’énergie qui, quantitativement, se mesurent avec les mêmes unités (kWh, calorie, kJ) mais qui traduisent, qualitativement, deux notions très différentes : la chaleur est une énergie désordonnée qui prend une forme difficilement transformable. En revanche, l’électricité est une énergie de meilleure qualité car très transformable: lumière, énergie mécanique, information, etc.
La thermodynamique nous apprend que cette transformation même en situation idéale (rendement dit de Carnot) se réalise avec un rendement inférieur à 1 d’autant plus proche de 1 que la différence de température entre la source chaude et la source froide du cycle est importante. Dans le cas des ORC, le rendement obtenu est environ 40 % du rendement théorique de Carnot.
Les machines ORC permettent ainsi de valoriser une quantité de chaleur en une quantité d’électricité plus faible mais plus utile.
Dans une autre de leurs applications, les machines ORC permettent aussi de refroidir certaines sources chaudes (par exemple des fumées de fours avant leur filtration) pour valoriser cette chaleur perdue en énergie utile.
environ de capacité électrique ont été installés dans le monde
Composants
Module complet Fonctionnant selon le principe des cycles de Rankine, le module ORC est constitué de six principaux éléments : un condenseur, une pompe (et un moteur électrique de pompe), un évaporateur, un expandeur associé à une génératrice et un certain volume de fluide organique qui circule entre ces éléments.
L’ensemble est connecté par des tuyauteries et est régulé par un automate, des capteurs et des actionneurs (vannes). Le module ORC produit de l’électricité qui est acheminée vers les réseaux électriques.
Le module ORC est une unité de production d’électricité à partir de chaleur, qu’elle provienne de fumées, d’huile thermique, d’eau surchauffée ou de vapeur, de type décentralisée, de puissance électrique pouvant varier de quelques dizaines de kilowatts à plusieurs milliers de kilowatts. Quelques unités de ORC atteignent même une puissance de kWe ou et plus. Les modules ORC sont généralement compacts, assemblés ou préassemblés en usine, facile à mettre en œuvre et surtout très facile à exploiter. Travaillant à des températures et pression faibles, en circuit fermé, les modules ORC ont une excellente durée de vie et disponibilité.
L'expandeur/la turbine L'expandeur est une machine qui permet de détendre le fluide/gaz de haute pression à basse pression en entraînant un alternateur afin de générer l'énergie électrique. Cet équipement est au cœur du module ORC. Les principaux fabricants de ORC de puissance équipent leurs modules ORC de leurs propres expandeurs pour détendre le fluide organique. Pour des puissances inférieures jusqu'à quelques centaines de kW, les fabricants de petits ORC utilisent des détendeurs à vis, à piston ou des détendeurs scroll. Ces dernières technologies, dites volumétriques, ne permettent pas de construire des ORC de puissance. À partir d'environ la seule technologie applicable est celle des turbines.
Une turbine est généralement conçue pour un fluide donné et un domaine de pression/débit/température donné.
Les turbines ORC sont des objets complexes qui nécessitent pour leur développement et leur fabrication des équipes spécialisées et hautement qualifiées en thermodynamique, physique des écoulements, simulation, mécanique, électricité, instrumentation, contrôle, hydraulique et lubrification, génie des matériaux, etc.
Fluides organiques Pour toutes les applications où l’eau n’est pas un fluide pertinent pour construire un cycle de Rankine, on peut utiliser un module ORC dans lequel le fluide est choisi spécialement pour l’application, et les composants (expandeurs/turbines, échangeurs) spécialement conçus à cet effet.
Parmi les principaux fluides utilisés, on trouve : Les réfrigérants (de type HFC, HFO, HFE), c’est-à-dire les fluides utilisés dans l’industrie du froid, de la climatisation et des pompes à chaleur. Ils sont adaptés aux températures < en entrée de machine. La plupart sont non-inflammables et non toxiques. Les alcanes (pentane, butane) utilisés depuis de nombreuses années et sur un domaine de température plus large (jusqu’à typiquement), mais étant de nature explosive. Les siloxanes (composés issus de la chimie du silicone), adaptés pour les sources de températures élevées (typiquement à ) que l’on retrouve dans les centrales biomasses et pour la valorisation de chaleur perdue à haute température.
D’autres applications comme l’Énergie Thermique des Mers considèrent l’ammoniaque pour des températures très basses () ou le pour certaines applications (éventuellement très haute température). Le toluène est également utilisé dans des applications haute température malgré les risques liés à ce type de fluide.
Chaque fluide a des avantages et des inconvénients (prix, plage de température, propriétés physiques, impact environnemental, risques) et nécessite des conceptions de modules et de turbines spécifiques.
Comparaison entre ORC et cycles à vapeur
Selon une étude récente d’ICF International financée par le DOE Américain (Waste Heat to Power Market Assesment - ), les turbines à vapeur (également appelées Steam Rankine Cycle ou SRC) et les ORC sont présentées comme les deux seules technologies matures utilisées pour produire de l’électricité à partir de chaleur.
L'utilisation de l'eau présente un certain nombre d'inconvénients : Le traitement de l’eau (purges chaudières) et de fait, la nécessité de mettre en place des auxiliaires coûteux comme des systèmes de déminéralisation ; La faible densité de la vapeur qui nécessite des turbines devant tourner très vite pour les faibles puissances ; Une forte détente isentropique qui nécessite la mise en œuvre complexe d’un grand nombre d’étages (irréaliste sur des turbines de relative petite taille, inférieure à ) ; Le caractère « mouillant » de la détente en turbine, due aux propriétés thermodynamiques de l’eau, qui implique de surchauffer la vapeur d’eau avant l’entrée de la turbine et qui entraine l’usure des derniers étages de turbines (à cause des gouttelettes de liquides) ; L’impossibilité de fonctionner aux basses températures (impossibilité économique à températures situées entre et impossibilité technique pour des sources à moins de ) ; La difficulté de trouver des constructeurs fiables pour des petites puissances.
Ces inconvénients sont donc particulièrement forts pour les petites puissances et les faibles températures. C’est d’ailleurs un domaine où les turbines à vapeur sont rares.
Par rapport à l’eau, il existe des fluides organiques qui présentent des avantages certains sur ces applications : Les fluides sont séchants : les modules ORC n’ont pas besoin de surchauffeur (composant volumineux et coûteux), et la détente ne génère pas de gouttelettes de fluides liquides donc il n’y a pas de risque d’endommager la turbine quand la température de la vapeur de fluide baisse ; La densité est élevée : les turbines tournent moins vite et ont moins d’étages, elles sont donc plus robustes et coûtent moins cher ; Les fluides organiques ont des températures d’ébullition inférieures à (les réfrigérants s’évaporent à 30, typiquement à pression ambiante) ; Les fluides travaillent en circuit fermé, ne sont jamais pollués et ne nécessitent pas d’être purgés.
L’ensemble de ces critères entraîne une meilleure fiabilité et de meilleures performances technico-économiques globalement (sur le domaine d’application des ORC). À noter que les fluides organiques sont généralement limités par une température maximale d’utilisation, au-delà de laquelle le fluide se décompose en sous-produits. De ce fait, leur utilisation en haute température est limitée (à la différence de l’eau qui est stable même à ).
Ainsi, pour des sources de chaleur supérieures à / sous forme liquide ou vapeur, les cycles à vapeur d'eau sont généralement les plus performants. En dessous de cette température, les solutions utilisant le cycle à vapeur d'eau ne permettent pas de récupérer des sources de chaleur à basse température de manière performante ou de faire des centrales de petite taille économiquement intéressantes.
Pour des sources de chaleur inférieures à / sous forme liquide ou vapeur, les ORC représentent donc une solution technique plus viable et plus adaptée que les cycles à vapeur d'eau grâce notamment à leur simplicité de mise en œuvre et d’exploitation mais également grâce à leur grande fiabilité.
Les coûts de mise en œuvre et d’exploitation et maintenance des turbines à vapeur d'eau et en particulier la nécessité d’une surveillance par opérateur 24H/24 pour éviter la désurchauffe (avec risque de génération de gouttelettes d'eau destructrices pour les turbines) sont un handicap certain dont souffre la technologie des turbines à vapeur. En particulier dans les pays développés où la solution ORC s’impose de plus en plus pour des installations jusqu’à 5 MW électriques et plus même pour des températures au-delà de .
Rendement