L’Europe se veut d’être le premier continent neutre sur le plan climatique d’ici à 2050. Cette déclaration ouvre la voie à beaucoup d’efforts, de réglementations, d’innovations et de changements que les citoyens et les industries européens doivent envisager.
Construire un meilleur avenir pour la société grâce à la neutralité climatique est une grande opportunité, qui comporte de nombreux défis. Les secteurs économiques tels que les transports, les bâtiments, l’agriculture et l’industrie joueront un rôle important dans la réalisation de cet objectif. La prochaine étape pour l’Europe est de réduire les émissions de CO2 de 90 % en 2040 par rapport aux niveaux de 2019 et ce n’est pas un objectif aisé.
En matière d’efficacité énergétique, nous savons tous que les véhicules offrent de meilleures performances par rapport aux moteurs à combustion interne (MCI) conventionnels. En d’autres termes, les moteurs électriques sont trois fois plus efficaces que les moteurs à combustion et c’est la raison principale de leur adoption rapide au cours de la dernière décennie.
Nous savons également pourquoi certaines technologies, comme l’énergie solaire photovoltaïque ou la production d’électricité par l’exploitation de l’énergie éolienne, sont supérieures à la méthode conventionnelle de production d’électricité par des centrales électriques utilisant des combustibles fossiles.
On peut dire qu’il en va de même pour toute nouvelle technologie avant que le marché l’intègre pleinement. C’est mieux, mais cela peut paraître plus cher à première vue.
L’industrie européenne contribue aujourd’hui à environ un tiers de la demande totale d’énergie de l’Union Européenne et à environ 20% du total des émissions européennes de gaz à effet de serre.
Dans toute industrie, les besoins en énergie peuvent être classés en deux catégories :
- L’électricité pour alimenter les lignes de production, les machines et fournir de la lumière, ainsi que pour permettre aux équipements de refroidissement et de réfrigération de contribuer au processus industriel.
- Les combustibles fossiles pour alimenter les chaudières industrielles qui génèrent de l’eau chaude, de la vapeur ou, indirectement, chauffent l’air pour des processus tels que le séchage et la boulangerie.
Comment pouvons-nous saisir l’opportunité de la décarbonisation étape par étape, la répondre dans cet article.
Pompes à chaleur et industrie agroalimentaire
Dans l’industrie agroalimentaire, le rapport entre les combustibles fossiles et l’électricité est d’environ 80/20. La plupart des combustibles fossiles utilisés servent à alimenter les chaudières industrielles qui chauffent le processus à des températures qui dépassent rarement 150°C. L’industrie agroalimentaire est l’une des industries les plus faciles à décarboniser dès maintenant en raison de la présence de pompes à chaleur industrielles qui peuvent facilement remplacer ou minimiser la dépendance à l’égard des chaudières à combustible. Chaque état membre compte des centaines, voire des milliers d’usines qui fournissent des aliments et des boissons à leur population et les exportent vers d’autres pays.
Les pompes à chaleur sont les véhicules électriques du chauffage. En plus de fournir une solution de chauffage durable, elles mettent fin à la dépendance aux chaudières à gaz. Elles peuvent également produire du froid si elles sont conçues et intégrées de la bonne manière dans une installation.
La plupart des lecteurs savent qu’une pompe à chaleur de 10 kW peut remplacer une chaudière à la maison pour fournir de l’eau chaude à 55°C de manière très efficace, avec un retour sur investissement très court et des économies financières. En revanche, peu de gens savent comment elle peut fonctionner dans une installation industrielle pour fournir de l’eau chaude ou de la vapeur jusqu’à 150°C. Chaque processus industriel émet de la chaleur résiduelle qui est rejetée dans l’atmosphère ; pensez aux condenseurs des systèmes de réfrigération, aux tours de refroidissement, aux centrales de cogénération et aux gaz de combustion, qui représentent pour la plupart une source de chaleur parfaite pour une pompe à chaleur à l’échelle industrielle.
Par exemple, lorsque vous exploitez la chaleur perdue à 50°C et que vous l’élevez à 100°C à l’aide d’une pompe à chaleur, vous obtenez un coefficient de performance (COP) de 4,5 en utilisant le fluide frigorigène R-1233zd ; cela signifie que vous pouvez être presque 500% plus efficace qu’une chaudière à gaz industrielle conventionnelle. Cet exemple permet de réduire, minimiser voire d’éliminer l’utilisation de combustibles fossiles, les émissions de CO2 et de fournir au processus la chaleur nécessaire pour produire le produit final, tout en économisant sur l’OPEX*.
Beaucoup de process agroalimentaires peuvent bénéficier des pompes à chaleur industrielles aujourd’hui, comme la stérilisation, la pasteurisation, la cuisson, le séchage, le brassage, la distillation, le blanchiment et bien d’autres encore.
Le plus de l’utilisation des pompes à chaleur est qu’il est possible de produire du froid, ce qui permet de répondre aux besoins de réfrigération et de réduire la consommation des refroidisseurs de process existants.
Les fluides frigorigènes
On connaît le principe de fonctionnement des pompes à chaleur : un fluide frigorigène absorbe la chaleur d’un côté (source de chaleur), puis il est comprimé par un compresseur pour augmenter sa pression et enfin la chaleur est rejetée de l’autre côté (puits de chaleur). Cependant, toutes les pompes à chaleur ne sont pas identiques.
De nombreux aspects sont négligés et l’un d’entre eux est la sélection du fluide. Il y a différents aspects à prendre en compte avant de choisir le fluide frigorigène pour une application :
- Le GWP* et l’ODP*.
- La classification de sécurité (de non inflammable, non toxique à hautement inflammable et hautement toxique).
- La plage de fonctionnement (température d’ébullition et température critique).
- La pression de service.
- La capacité de chauffage volumétrique.
- L’efficacité.
Pour les applications de pompes à chaleur industrielles, les principaux fluides frigorigènes utilisés sont les suivants :
- L’ammoniac : très faible GWP*, classé B2L, ce qui signifie qu’il est légèrement inflammable, mais est très toxique à de très faibles concentrations.
- Les hydrocarbures (butane, pentane, isobutane, isopentane) : très faible GWP*, ils combinent une bonne capacité de chauffage et un bon rendement, mais ils sont hautement inflammables et explosifs (A3).
- Les hydrofluoro-oléfines (HFO) : la 4ème génération de gaz fluorés, à très faible GWP* et ODP*, chaque HFO est conçu pour des utilisations spécifiques, avec un spectre de propriétés thermodynamiques et de sécurité différentes. Certains des plus populaires utilisés dans les applications de pompes à chaleur industrielles sont le R-1234ze(E) et R-1233zd (E) sous la marque Solstice® de Honeywell.
- L’eau : il s’agit sans doute du seul fluide frigorigène utilisé uniquement pour la production de vapeur ou la recompression de vapeur.
La sécurité avant tout
Elle joue un rôle essentiel dans tout processus industriel. Il y a une grande différence entre l’exploitation d’une pompe à chaleur pour une maison individuelle où la charge de fluide frigorigène ne dépasse pas 200 grammes, et l’exploitation d’une pompe à chaleur pour un processus industriel où la charge peut aller de 50 kg à plusieurs milliers de kg. Dans une situation réelle où les fuites peuvent se produire, les choses peuvent devenir extrêmement incontrôlables si le fluide utilisé est toxique et fonctionne sous 80 bar ou s’il est hautement inflammable et explosif dans un environnement présentant un risque d’explosion, comme la distillation de spiritueux, les sucreries, les usines de papier et de pâte à papier.
L’exemple ci-dessus montre que, bien que les pompes à chaleur puissent contribuer à décarboner l’industrie agroalimentaire, certains types de fluides frigorigènes présentent des risques, contrairement aux fluides frigorigènes non toxiques et non inflammables qui peuvent être extrêmement efficaces et également sûrs dans une installation.
L’exemple ci-dessus montre que les pompes à chaleur peuvent contribuer à décarboner l’industrie agroalimentaire. Certains types de fluides frigorigènes présentent des risques, contrairement à ceux classés non toxiques et non inflammables qui peuvent être extrêmement efficaces et sûrs dans une installation.
Les pompes à chaleur peuvent jouer un rôle déterminant dans la décarbonation de l’industrie en Europe afin d’accélérer les objectifs zéro émission nette. La technologie est prête et de nombreux états membres fournissent différents types de subventions, de fonds et d’aides pour soutenir l’industrie dans l’investissement initial et les coûts d’exploitation. Elles sont une option viable pour les industries qui disposent d’une centrale de cogénération pour produire leur propre électricité, ainsi que pour les états membres qui ont un ratio entre le prix de l’électricité et celui du gaz de (COP de la pompe à chaleur – 1).
Exemple : si la pompe à chaleur a un COP de 4 et que le prix de l’électricité par rapport au gaz est de 3, la pompe à chaleur est une option viable.
Le choix d’un fluide frigorigène non toxique et non inflammable ou légèrement inflammable élimine de nombreux risques que les utilisateurs industriels finaux doivent affronter par rapport à un fluide toxique ou inflammable.
Enfin, les pompes à chaleur peuvent être une excellente solution pour améliorer la compétitivité du secteur industriel européen car elles permettront à l’industrie d’avoir une intensité énergétique beaucoup plus faible pour ses produits finaux, et donc de réduire le poids des coûts énergétiques et d’ouvrir la voie à l’augmentation des résultats de l’industrie, d’offrir des prix plus compétitifs ou même d’augmenter la capacité de production et d’éviter les saturations.
* GWP : Global Warning Potential = potentiel de réchauffement de la planète
* ODP : Ozone Depleting Potential = potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone
* OPEX : OPerational EXpense = dépenses d’exploitation
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