La « chaleur fatale » générée par de nombreux procédés industriels constitue un vaste gisement d’énergie thermique encore souvent non-exploité. Parfois en raison de faibles niveaux de températures et/ou de capacités thermiques, parfois en raison de la difficulté technique à récupérer cette chaleur. Outre l’impact bénéfique sur les émissions de CO2, la valorisation de cette chaleur permet pourtant d’augmenter la compétitivité de secteurs industriels dont le coût de revient de la production est largement dépendant du coût de l’énergie. Dans cette conférence, nous ferons le point sur les techniques de récupération actuellement disponibles et celles faisant l’objet de travaux de R&D : récupérateurs, cycles de Rankine organiques (ORC), pompes à chaleur à haute température, batteries de Carnot, générateurs thermoélectriques, systèmes à caloducs. En nous intéressant aux fours de la Cristallerie du Val Saint Lambert comme cas concret, nous soulignerons les avantages des systèmes de récupération de chaleur mais aussi les difficulté techniques à surmonter lors de leur implémentation. Nous joindrons également, l'utile à l'agréable en vous proposant une démonstration de fabrication traditionnelle au coeur d'un héritage culturel et industriel « Made in Belgium ».

1. Mercredi, 9 novembre 2022
La perte d’énergie fatale n’est plus une fatalité
Vincent Lemort, Professeur, Laboratoire de Thermodynamique
(ULiège)
Constant Beerden, Responsable de production (Cristallerie du Val
Saint Lambert)

2. LIEGE CREATIVE, en partenariat avec :

3. Chaleur fatale: quelques
solu/ons pour le
couplage au secteur de
l’électricité
Vincent Lemort & collègues
« La perte d’énergie fatale n’est plus une fatalité »
Seraing, le 9 novembre 2022
Trinec, Tchéquie, Octobre 2022

4. Introduction
Chaleur fatale: origine et gisement
2
Liège, vers 1846:
« Les eaux chaudes provenant des chaudières ou de la
condensation de l’eau des machines à vapeur, celles qui
s’échappement en abondance de certains établissements
industriels [sont] versées dans les égouts publics […]. On sait […]
que les eaux chaudes ont la propriété de hâter la putréfaction des
matières animales et végétales contenues dans les égouts, et
qu’elles augmentent par conséquent l’insalubrité de ceux qu’elles
parcourent »
« Mémoire de la Commission médicale de la province de Liège », dans Enquête sur la conditions des classes ouvrières et sur le travail des
enfants, t.3., Bruxelles, 1846-48, p. 586, In: LEBOUTTE, René, PUISSANT Jean, et SCUTO Denis, Un siècle… sociétés, op. cit., p.19. En ce qui
concerne les chiffres liés à la production de fonte sont repris, Leboutte et al. font référence à Asselain Jean-Charles, Histoire économique. De la
révolution industrielle à la première guerre mondiale, Paris, 1991, 77.

5. Introduction
Chaleur fatale: origine et gisement
Aujourd’hui:
3
o Poten&el en EU28: sources
inférieures à 200°C pour pompe à
chaleur
Source: Marina et al., 2021
o Estimation du potentiel de
récupération de chaleur fatale en
Wallonie
Source: Wallonie énergie SPW, 2021

6. Objectif de la présentation
Apporter des éléments de réponse aux questions techniques suivantes:
1. Comment quantifier la quantité de chaleur disponible?
2. Quelle technique de valorisation est la mieux appropriée?
3. Quelles sont les difficultés techniques à anticiper?
4. Quelles sont les pistes actuelles de R&D ?
… sur base d’un cas d’étude: le four au gaz de la Cristallerie du Val Saint Lambert
4

7. Quan6fica6on de la source de chaleur
Difficultés
o Manque de mesures (températures,
débits)
o Composi*on des fumées (gaz,
parFcules) ?
Rem: chaleur fatale sous forme liquide
est plus simple à caaraactériser/exploiter.
o Caractère dynamique (variaFon
temporelle de la source): liée à la
fréquence des cycles du procedé
industriel.
5
Recuperator
Burner
Furnace
Chimney

8. Quan6fica6on de la source de chaleur
Difficultés
6
o EvaluaFon du débit/température des fumées sur base de
différentes hypothèses, données constructeur et
consommaFon de gaz naturel.
o EvaluaFon plus complexe si combusFble = mélanges de
gaz

9. Techniques de valorisa6on
Ensemble des techniques
7
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10. Techniques de valorisa6on – H2C
Machines frigorifiques à sorp>on, à éjecteur
o AbsorpFon: Technologie éprouvée.
§ ValorisaFon à parFr de 80°C.
§ Limite maximale: ca. 200°C (corrosion).
§ COP: ca. 0.7-1.2.
o AdsorpFon: moins commercialisée.
§ ValorisaFon à parFr de 70°C.
§ ProducFon cyclique.
§ Problèmes de tenue au vide.
§ COP: ca. 0.4-0.6
o A éjecteur: Technologie peu développée.
§ Faible COP (<0.5).
§ DégradaFon performance en dehors
point nominal.
8
Chiller à sorption,
éjecteur
̇
𝑄!
̇
𝑄"
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𝑄#
𝐶𝑂𝑃 =
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𝑄!
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𝑄"
100°C
25°C
5°C
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11. Techniques de valorisation – H2H
Pompes à chaleur à sorption
9
o “amplificateur” de puissance termique (COP:
ca. 1.2-1.7)
o Faible consommaFon électrique
o Possibilité de travailler en “heat transformer”
PAC à sorp9on
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𝑄! = 0.4
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𝑄" = 1
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𝑄# = 1,4
𝐶𝑂𝑃 =
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𝑄#
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𝑄"
150°C
70°C
30°C
PAC gaz de 18.9 kW: COP max de 1.4 (Cycle
NH3-H2O)
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12. Techniques de valorisa6on – H2H
Pompes à chaleur à compression de vapeur
10
o Regain d’intérêt significatif depuis moins d’un an
o Produits commercialisés jusque 150°C (limite
imposée par réfrigérants “classiques”).
o Températures plus élevées:
o Recompression de vapeur (160-170°C)
o R718 (eau): 250-300°C, TRL plus faible
(multiétagé, huile)
o Hydrocarbures avec des Tcrit élevées
o Cycles de Stirling R704 (200-250°C), Brayton
R744 (théoriquement 500°C)
PAC
Source: Arpagaus et al. (2018)
𝐶𝑂𝑃 =
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𝑊$%
̇
𝑄!
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𝑊$%
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13. Techniques de valorisation – H2P
ORC (Organic Rankine Cycle)
11
ORC
Evaporator
Recuperator
Feed pump
Condenser
Turbine
Heat
source
Heat sink
Solar radiation,
geothermal heat,
biomass fuel,
WHR…
Low-temp heat for
heaCng(/cooling)
applicaCon
Mechanical
energy or
electricity
o UFlisaFon d’un fluide organique (réfrigérants de synthèses, HC)
o Faibles points normaux d’ébulli*on: bien adaptés à la récupéraFon de
chaleur à basse et moyenne temp. avec des sources de capacités
limitées
o Moteur à combus*on externe
o Peut être uFlisé en cogénéraFon
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𝑄!
̇
𝑄"
̇
𝑊$%
𝜂 =
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𝑊$%
̇
𝑄"
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14. Source: Wieland, Christoph & Dawo, Fabian & Schifflechner, Christopher & Astolfi, Marco. (2022). Market report on Organic
Rankine Cycle power systems: recent developments and outlook. 10.14459/2021mp1636584.
12
Techniques de valorisa6on – H2P
Machines à cycle de Rankine – ORC: marché

15. 13
Source: Wieland, Christoph & Dawo, Fabian & Schifflechner, Christopher & Astolfi, Marco. (2022). Market report on Organic
Rankine Cycle power systems: recent developments and outlook. 10.14459/2021mp1636584.
Techniques de valorisation – H2P
Machines à cycle de Rankine – ORC: marché

16. 14
Techniques de valorisation – H2P
ORC: boucle de récupération
o Perte de charge influence procédé.
o Prévoir un by-pass.
o Chute de température diminue Frage.
o Point de rosée des fumées:
condensaFon acide, colmatage.
o Ecoulement abrasif.
o 50% du coût global.

17. 15
Techniques de valorisa6on – H2P
ORC: boucle de récupéra>on
o Boucle huile => possibilité de stockage
thermique:
• Pallie fluctuaFons source
• Augmente fréquence uFlisaFon de
l’ORC, stabilise son régime Stockage
thermique

18. 16
Techniques de valorisation – H2P
ORC: boucle de récupération
o Évaporation directe
§ Une barrière thermique en moins
§ Points chaud: dégradation huile/fluide
§ Inertie thermique plus faible => perte de
contrôlabilité
§ Plus difficile de stocker la chaleur

19. 17
Techniques de valorisa6on – H2P
ORC: boucle de récupéra>on
o UFlisaFon de caloducs (à thermosyphons)
Projet Beware ORCAL (2015-2016)
Source: Le et al., 2017

20. 18
Techniques de valorisation – H2P
ORC: Refroidissement de l’ORC
o ORC introduit une demande de
refroidissement (condenseur à air ou à
eau avec tour de refroidissement)

21. Power-to-heat-to-power – P2H2P
BaLeries de Carnot
19
PAC ORC
Stockage
Thermique
(TES)
Round-trip effieincy: 𝜀&' =
̇
)!",$%&
̇
)!",'(&
̇
𝑊$%,+,-
̇
𝑊$%,./-

22. 𝜀&' = 𝜂012 . 𝐶𝑂𝑃./-. 𝜂+,- = 𝑔./-
𝑇34'
𝑇34' − 𝑇54%6
𝑔+,- 1 −
𝑇54%6
𝑇34'
= 𝑔". 𝑔,-
Le rendement charge-décharge ne dépasse pas facilement des valeurs de 50%
20
Power-to-heat-to-power – P2H2P
BaLeries de Carnot

23. Power-to-heat-to-power – P2H2P
Batteries de Carnot
21
PAC ORC
Stockage
Thermique
(TES)
̇
𝑊$%,+,-
̇
𝑊$%,./-
𝜀!" = 𝜂#$%. 𝐶𝑂𝑃&'(. 𝜂)*(

24. “Proximité technique” entre les composant d’une pompe à chaleur et d’un ORC.
=>Peut-on développer une “unité réversible” (inversible) ORC/PAC? (question déjà posée en 2006)
Heat Pump ORC Reversible HP/ORC
Working
fluid
Working
fluid
22
Power-to-heat-to-power – P2H2P
BaLeries de Carnot

25. 23
Power-to-heat-to-power – P2H2P
Batteries de Carnot
o Démonstrateur conçu avec des
composants de l’HVAC
o Roundtrip efficiency de 72.5%
o Processus de création d’une spin-off.
Produit:
ü Compacité > 10 kWh/m3
ü Durée de stockage > 72h
ü Rendement charge-décharge > 90 %
ü Coût d'achat < 500€ / kWh
ü Optimisé et modulable
ü Durée de vie > 25 ans

26. Conclusions
o Techniques à TRL élevés pour la récupéraFon et valorisaFon de la chaleur
fatale (pour la producFon de chaleur, de froid, d’électricité et pour le
stockage de l’électricité).
o Le potenFel de développement technique reste très important
ü PAC à très haute haute température.
ü ORC pour la récupéraFon de chaleur à très basse température.
ü UFlisaFon de fluides naturels (CO2, cyclopentane,…)
ü IntégraFon de la récupéraFon dans le process.
ü Services aux réseaux offerts par une baserie de Carnot.
o Modèle économique est tout aussi important que les quesFons
techniques:
ü SouFent d’une société Ferce (ESCO ou invesFsseur) pour le
financement, montage et l’exploitaFon du projet de récupéraFon (PPA
, leasing).
ü CerFficats d’économie d’énergie (CEE en France); Aides (UDE en RW).
24

27. Merci pour votre attention!
Merci aux contributeurs à cette présentation
Vincent Lemort
Vincent.Lemort@uliege.be
Thermodynamics Laboratory
University of Liège
Belgium
25

28. Sources
• Arpagaus C., Bless F., Uhlmann M., Büchel E., Frei S., Schiffmann J., and Bertsch S. 2018. High
temperature heat pump using HFO and HCFO refrigerants - System design, simulaMon, and first
experimental results. Proceeding of the InternaMonal RefrigeraMon and Air CondiMoning
Conference.
• Le, V. L., Declaye, S., Dumas, X., Ferrand, L., & Lemort, V. (2017, June 01). Waste Heat Recovery by
Means of Organic Rankine Cycle (ORC) System Coupled with Two-Phase Closed Thermosyphons.
InternaMonal Journal of Thermodynamics. h]p://hdl.handle.net/2268/211971
• A. Marina, S. Spoelstra, H.A. Zondag, A.K. Wemmers, An esMmaMon of the European industrial
heat pump market potenMal, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 139, 2021,
110545, ISSN 1364-0321, h]ps://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110545
• Wallonie énergie SPW, DIRECTIVE D’EFFICACITE ENERGETIQUE 2012/27/EU ART.14 POTENTIEL D
’EFFICACITE EN MATIERE DE CHALEUR ET DE FROID, Stratégie de réseaux de chaleur et de froid
alimentés par des cogénéraMons, des énergies fatales ou des sources d’énergies renouvelable,
2021
• Wieland, Christoph & Dawo, Fabian & Schifflechner, Christopher & Astolfi, Marco. (2022). Market
report on Organic Rankine Cycle power systems: recent developments and outlook.
10.14459/2021mp1636584
26