De l'électricité à partir de la chaleur perdue grâce à une nouvelle machine à piston

À l’heure où l’optimisation énergétique et la durabilité s’imposent comme des impératifs, une innovation a vu le jour au sein des laboratoires suisses de l’Empa. Axée sur l’exploitation optimisée de la chaleur industrielle non utilisée, elle pourrait transformer les méthodes actuelles de production énergétique. Originellement destinée aux moteurs à combustion, cette technologie se profile comme une solution transversale pour la valorisation énergétique dans de multiples branches industrielles.

Une technologie réinventée pour l’efficacité énergétique

Depuis plusieurs années, les experts de l’Empa développent un système de contrôle de soupapes pour moteurs à combustion, basé sur des soupapes actionnées électro-hydrauliquement. Cette technologie permet une gestion du changement de gaz nettement plus flexible que la technologie conventionnelle à arbre à cames. Dans un moteur à essence, elle pourrait réduire la consommation de carburant d’environ 20 % en mode opératoire typique pour les voitures particulières. Actuellement, cette approche est développée pour des moteurs flexibles en termes de carburant dans les véhicules de fret, en collaboration avec un fabricant de camions.

Cette technologie ouvre également la voie à des progrès dans un autre domaine. L’Empa a attribué à son ancien doctorant, Andyn Omanovic, une bourse d’entrepreneur pour commercialiser une nouvelle type de machine à piston utilisant ce système de contrôle.

La commercialisation sera assurée par etavalve GmbH, une entreprise issue de l’Empa et de l’ETH Zurich, cofondée par l’expert en hydraulique Wolfgang Schneider, qui a participé au développement de la technologie.

Prototype de l’actionneur de valve, le cœur de la machine à piston d’etavalve. (Image : Empa)

Du potentiel industriel au service de l’écologie

L’idée est d’utiliser plus efficacement la chaleur perdue des processus dans l’industrie métallurgique ou cimentière, grâce à la machine à piston mentionnée, par rapport aux méthodes actuelles qui fonctionnent avec des turbines. Comme l’explique Andyn Omanovic, le cylindre et le piston formant un espace fermé, la compression et l’expansion du processus se déroulent de manière presque idéale, permettant un rendement énergétique extrêmement élevé : la chaleur perdue est convertie en puissance mécanique par les pistons, utilisée en fin de compte pour générer de l’électricité.

« Les turbines sont particulièrement efficaces à des températures élevées et pour des besoins en puissance de plusieurs centaines de mégawatts », explique le chercheur de l’Empa, « mais notre machine à piston est mieux adaptée pour des gammes de température d’environ 500 à 900 degrés, où la chaleur perdue est générée de manière irrégulière, et jusqu’à la gamme de puissance de plusieurs mégawatts. »

Le potentiel est considérable : en 2016, la quantité de chaleur industrielle perdue au-dessus de 300 degrés en Allemagne était estimée à environ 10 térawattheures par an.

Avant le pas vers la pratique

Avant le début de 2025, une machine pilote doit être construite pour le fournisseur d’énergie IWB à Bâle, qui pousse au développement des installations de biochar en Suisse, conçue et construite spécifiquement pour les propriétés de la chaleur perdue générée lors de la pyrolyse.

Environ un an plus tard, selon les développeurs chez etavalve, une petite série de machines à piston devrait être livrée à une entreprise spécialisée dans les installations pour la combustion des gaz pauvres issus des décharges ou du traitement du biogaz. Les discussions sont déjà en cours.

En synthèse

Les experts d’etavalve sont confiants dans le fait que leur technologie pourrait atteindre le marché dans un avenir prévisible, malgré les défis liés aux détails techniques tels que les matériaux résistants aux températures pour la machine et la stratégie de contrôle pour le processus thermodynamique. Les calculs de coût-bénéfice sont également très prometteurs.

« La fabrication et l’exploitation de notre toute première machine pilote couvrent presque ses coûts », affirme Andyn Omanovic, soulignant l’aspect exceptionnel pour une technologie innovante dans le domaine du génie mécanique complexe.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la technologie de contrôle de soupapes électro-hydrauliquement ?

C’est un système qui permet une gestion plus flexible du changement de gaz dans les moteurs à combustion, comparativement à la technologie traditionnelle à arbre à cames.

Comment fonctionne la machine à piston développée par Empa et etavalve GmbH ?

Elle convertit la chaleur perdue en puissance mécanique via des pistons, qui est ensuite utilisée pour générer de l’électricité.

Quel est le potentiel de cette technologie ?

Elle est particulièrement adaptée pour récupérer la chaleur perdue dans des gammes de température de 500 à 900 degrés et pourrait significativement contribuer à la production d’énergie durable.

Quels sont les défis à surmonter ?

Les défis incluent le développement de matériaux résistants aux températures élevées pour la machine et la mise au point d’une stratégie de contrôle efficace pour le processus thermodynamique.

Quels sont les avantages économiques de cette innovation ?

Les premières estimations montrent que la fabrication et l’exploitation de la machine pilote pourraient presque couvrir ses coûts, ce qui est prometteur pour une technologie innovante.