La Chine raccorde au réseau le premier générateur commercial d’électricité au CO₂ supercritique

Une avancée pour une nouvelle forme de production d’électricité

La Chine a raccordé au réseau électrique le premier générateur commercial au monde fonctionnant au dioxyde de carbone supercritique, marquant une nouvelle étape dans l’amélioration du rendement de la production thermique. L’installation se trouve dans l’usine sidérurgique Shougang Shuicheng, à Liupanshui, dans la province du Guizhou, et transforme en électricité la chaleur à haute température issue de la production d’acier. Réalisé par l’Institut chinois de l’énergie nucléaire, qui relève de la China National Nuclear Corporation, avec le concours technique de Jigang International Engineering and Technology, le projet comprend deux unités d’une puissance nominale de 15 mégawatts chacune. Le fluide de travail est du dioxyde de carbone, et non de la vapeur. Selon le fabricant, les unités peuvent capter et utiliser la chaleur résiduelle avec un rendement supérieur d’au moins 50 % à celui des systèmes conventionnels à vapeur utilisés dans les aciéries.

C’est important, car le dioxyde de carbone supercritique, souvent abrégé en sCO2, peut permettre d’utiliser des turbines plus petites, de démarrer plus rapidement et d’atteindre un meilleur rendement thermique à haute température. Ces caractéristiques répondent aux besoins de l’industrie lourde, où la chaleur qui s’échappe aujourd’hui par les cheminées et les systèmes de refroidissement peut devenir une source d’énergie stable. Elles sont également adaptées aux réacteurs nucléaires de nouvelle génération et aux centrales solaires à concentration, pour lesquels chaque point de rendement supplémentaire peut réduire les coûts et la taille des principaux composants.

Le projet du Guizhou permet aussi de tester les performances de cette technologie en dehors d’un laboratoire. La sidérurgie est l’un des secteurs les plus énergivores, et les lignes d’agglomération ainsi que les fours dégagent d’importantes quantités de chaleur à des températures largement supérieures à 700 degrés Celsius (1 292 degrés Fahrenheit). Récupérer cette chaleur améliore le bilan énergétique de l’usine et peut réduire sa consommation d’électricité sur le réseau local. Cela peut également diminuer la consommation d’eau par rapport aux cycles à vapeur, un avantage dans les régions où les ressources en eau sont limitées.

La production d’électricité au CO₂ supercritique et ses enjeux

Le dioxyde de carbone supercritique est du dioxyde de carbone maintenu à une température et à une pression supérieures à son point critique, soit environ 31 degrés Celsius et 74 bars. Dans cet état, il s’agit d’un fluide dense qui possède à la fois des propriétés d’un gaz et d’un liquide. Cette densité permet aux ingénieurs de construire des turbines et des échangeurs de chaleur compacts. Dans un système de production d’électricité au sCO2, le fluide circule en circuit fermé : il absorbe la chaleur d’une source, se détend dans une turbine qui entraîne un générateur, puis cède sa chaleur à un refroidisseur avant d’être comprimé et renvoyé vers la source chaude. Ce circuit suit un cycle de Brayton, apparenté à ceux des turbines à gaz utilisées dans les moteurs d’avion, mais avec du CO2 comme fluide de travail et des récupérateurs qui recyclent la chaleur dans le circuit.

Fonctionnement du cycle

Dans l’aciérie, les gaz chauds issus de l’agglomération et de procédés connexes traversent un échangeur de chaleur qui transfère leur énergie au circuit de sCO2. Le dioxyde de carbone chauffé se détend dans une turbine, entraînant un générateur qui produit de l’électricité. Après sa détente, le CO2 contient encore une quantité importante de chaleur. Il passe donc dans un récupérateur qui préchauffe le flux entrant et améliore ainsi le rendement. Le fluide cède ensuite sa chaleur résiduelle à un refroidisseur, est comprimé, puis retourne à l’échangeur de chaleur pour recommencer le cycle. Comme le CO2 proche de son point critique se comprime plus facilement qu’un gaz ordinaire, le cycle consomme moins d’énergie pour la compression, ce qui contribue à accroître son rendement net.

Avantages en matière de rendement et d’encombrement

Les cycles de Rankine à vapeur traditionnels sont éprouvés et fiables, mais leur rendement plafonne sans températures et pressions très élevées, et leurs composants sont volumineux. Selon les informations publiées sur le projet chinois et les essais pilotes menés à l’international, les cycles sCO2 fonctionnant à haute température peuvent dépasser 50 % de rendement thermique, contre environ 40 % pour les cycles à vapeur modernes dans des conditions comparables. Dans les applications de récupération de chaleur, le rendement exact dépend de la température de la source et de la conception des équipements. L’approche sCO2 permet toutefois d’augmenter considérablement la part de chaleur transformée en électricité. Les équipements sont également compacts : le CO2 étant bien plus dense que la vapeur, les turbines et les tuyauteries peuvent être beaucoup plus petites pour une puissance donnée.

Pourquoi une aciérie offre une source de chaleur idéale

Les aciéries consomment d’énormes quantités d’énergie pour l’agglomération, la cokéfaction et le laminage à chaud. L’agglomération consiste à agglomérer des minerais fins à des températures qui dépassent souvent 700 degrés Celsius. Les fours et les conduits de gaz résiduaires évacuent ensuite cette chaleur du procédé. Un circuit de CO2 supercritique peut récupérer une grande partie de cette énergie autrement perdue grâce à un échangeur de chaleur robuste.

Cette technologie présente d’autres avantages en milieu industriel. Un système de production d’électricité au sCO2 consomme très peu d’eau par rapport aux systèmes à vapeur, puisqu’il n’a besoin ni de grandes quantités d’eau d’alimentation pour les chaudières ni de tours de refroidissement humides. Le CO2, utilisé comme fluide de travail, est relativement inerte et moins corrosif pour de nombreux alliages que la vapeur à haute température, ce qui peut simplifier certains défis liés aux matériaux. Le circuit étant fermé, le CO2 n’est pas rejeté dans des conditions normales de fonctionnement. De petites pertes de CO2 peuvent survenir et doivent être gérées, mais le système ne dépend pas d’un approvisionnement continu en CO2 neuf.

Pour l’exploitant d’une usine, ces caractéristiques se traduisent par une emprise au sol réduite pour le système de production, moins d’équipements auxiliaires et une exploitation plus souple. Les démarrages et les arrêts peuvent être plus rapides qu’avec la vapeur, ce qui est utile pour les procédés dont la température varie au cours de la journée.

Une technologie adaptable au nucléaire et au solaire ?

De nombreux réacteurs avancés produisent de la chaleur à des températures adaptées aux turbines sCO2. Les réacteurs à haute température refroidis par gaz, les réacteurs à sels fondus et les réacteurs rapides au sodium visent tous des températures de cœur supérieures à celles des réacteurs à eau pressurisée. Le sCO2 peut récupérer efficacement cette chaleur. Une turbine compacte convient également aux petits réacteurs modulaires, pour lesquels l’espace et la simplicité sont prioritaires.

Il en va de même pour l’énergie solaire à concentration, qui stocke la chaleur dans des sels fondus avant de l’acheminer vers un système de production d’électricité. Un projet de démonstration en Chine prévoit de convertir une centrale solaire à tour de démonstration à Dunhuang, actuellement à vapeur, en un système sCO2 afin d’évaluer la capacité des fournisseurs à répondre à la demande et le comportement en exploitation. Ce projet met en évidence deux composants essentiels : un échangeur de chaleur fiable entre les sels fondus et le CO2, et une chaîne de compression capable de gérer le CO2 à proximité de son point critique. Ces deux éléments sont complexes, mais les progrès réalisés dans les matériaux, les joints et les systèmes de commande les rendent de plus en plus accessibles.

Si les échangeurs de chaleur et les turbomachines se révèlent durables dans des centrales en activité, la voie vers des systèmes sCO2 de plus grande puissance sera plus claire. Les gains sont intéressants : un meilleur rendement du cycle permet d’utiliser des champs solaires ou des cœurs de réacteur plus petits pour une même production injectée sur le réseau, tandis qu’une moindre consommation d’eau facilite le choix des sites.

La réalisation du projet chinois et ses acteurs

L’installation du Guizhou est le fruit d’un programme de longue haleine mené par l’Institut chinois de l’énergie nucléaire, qui relève de la CNNC. Depuis plus de dix ans, l’institut travaille sur les circuits sCO2, les turbines, les paliers, les joints et les systèmes de commande. Il a publié des essais de composants et construit des bancs d’essai pilotes. Jigang International Engineering and Technology s’est associée au projet pour les travaux d’ingénierie liés à l’intégration en milieu industriel lourd. L’entreprise d’accueil, Shougang Shuicheng Steel, a fourni le site et l’accès aux flux de chaleur résiduelle à haute température.

Chaque unité a une puissance nominale de 15 mégawatts. L’utilisation de deux unités assure une redondance et permet aux exploitants de tester des stratégies de commande dans des conditions de production réelles. La CNNC présente le projet comme une base pour de futures installations dans l’industrie lourde et la production d’électricité, avec pour objectif de standardiser des modules pouvant être reproduits sur différents sites. Cette reproductibilité est importante : la rentabilité de la production à partir de chaleur résiduelle s’améliore lorsque les équipements peuvent être fabriqués à grande échelle et installés avec un minimum d’adaptations.

Le point de vue des experts

Hors de Chine, des équipes de recherche et des industriels démontrent progressivement la fiabilité des composants et sous-systèmes sCO2. Au Texas, le site pilote Supercritical Transformational Electric Power, une installation de 10 mégawatts électriques soutenue par le département de l’Énergie des États-Unis et dirigée par un consortium, a achevé sa première phase en 2024. Il a démontré un fonctionnement à plein régime avec des turbomachines et des systèmes de commande intégrés. Les chercheurs du Southwest Research Institute, qui contribue au programme, soulignent l’importance d’essais intégrés où compresseurs, turbines, appareils de chauffage et de refroidissement, et logiciels de commande fonctionnent ensemble comme une centrale unique.

Mark Hibbs, chercheur principal à la Carnegie Endowment for International Peace, où il étudie le secteur nucléaire chinois, a déclaré que la Chine avançait rapidement pour démontrer son leadership technique.

Les Chinois avancent très, très vite. Ils tiennent absolument à montrer au monde que leur programme est inarrêtable.

Tim Allison, qui dirige le département des machines du Southwest Research Institute et travaille sur le projet pilote texan, a décrit l’importance de la mise en régime d’un système sCO2 intégré.

Le fonctionnement du système intégré est une réalisation remarquable. Il fait suite à la mise en service réussie des différents composants par l’équipe et démontre le fonctionnement conjoint de tous les équipements, notamment les commandes de l’installation, le compresseur, les échangeurs de chaleur, le réchauffeur, la turbine et le circuit de CO2, ainsi que les systèmes électriques, d’alimentation en gaz et d’eau de refroidissement de l’installation.

Les défis techniques qui restent à relever

Le principal défi consiste à construire des turbines compactes et à haut rendement, capables de résister à des températures et des vitesses élevées. Des études universitaires et industrielles décrivent des rotors de turbine tournant à près de 30 000 à 40 000 tours par minute, dont les pales et les carters sont exposés à des températures supérieures à 600 degrés Celsius. Les alliages à base de nickel et les aciers avancés sont couramment utilisés pour les cylindres internes et les rotors, tandis que les carters extérieurs sont fabriqués en aciers ferritiques pour maîtriser les contraintes et les coûts. Le choix des matériaux doit concilier résistance, tenue à la corrosion et dilatation thermique, afin de maintenir des jeux réduits sans frottement.

Les joints et les paliers sont tout aussi importants. Les joints à gaz sec limitent les fuites de CO2 au niveau de l’arbre, et certaines conceptions étudient le recours à des paliers à gaz plutôt qu’à huile pour simplifier les systèmes de lubrification et éviter les problèmes thermiques. Une étude portant sur une turbine de classe 25 mégawatts a montré que le placement du piston d’équilibrage dans la section de gaz de refroidissement permettait de raccourcir le rotor, de réduire les voies de fuite et de diminuer les pertes mécaniques. Un rotor plus compact améliore la stabilité et simplifie le carter. Une autre conception, qui remplaçait les paliers à huile par des paliers à gaz, a encore réduit la longueur de l’arbre et supprimé le besoin d’un système distinct de refroidissement et de lubrification. Ces améliorations contribuent à accroître le rendement et la fiabilité.

La maîtrise du cycle lors des phases transitoires fait également l’objet de recherches. Des démonstrations à petite échelle ont montré que des variations de la vitesse de la pompe, de l’apport de chaleur et de la charge peuvent entraîner des dépassements de pression et de débit avant la stabilisation du système. Les ingénieurs étudient différentes combinaisons de débit massique, de rapport de pression et de vitesse de rotation afin de repérer les plages de fonctionnement stables qui permettent d’obtenir une puissance et un rendement maximaux. Lors d’un essai, un turbo-générateur sCO2 de petite taille a produit plusieurs dizaines de kilowatts électriques, avec un rendement total mesuré proche de 59 % dans des conditions optimales. Ce résultat illustre à la fois le potentiel de la technologie et la précision de commande qu’elle exige.

Les échangeurs de chaleur qui transfèrent l’énergie des gaz industriels chargés d’impuretés vers un circuit propre de CO2 doivent résister à l’encrassement et aux contraintes thermiques. Les récupérateurs intégrés au circuit de CO2 doivent présenter une grande surface d’échange dans un format compact afin de recycler la chaleur sans entraîner de fortes pertes de pression. Les compresseurs doivent fonctionner efficacement à proximité du point critique du CO2, où de faibles variations de température peuvent modifier la densité et nuire aux performances si les systèmes de commande ne réagissent pas rapidement.

Enjeux environnementaux et politiques

La Chine s’est engagée à atteindre son pic d’émissions de carbone avant 2030 et la neutralité carbone avant 2060. La décarbonation de l’énergie qui alimente l’industrie lourde est au cœur de ce plan. La récupération de chaleur résiduelle au moyen du sCO2 contribue à cet objectif de deux façons : elle réduit la consommation nette d’électricité de l’usine provenant de réseaux alimentés par des combustibles fossiles et diminue la consommation d’eau dans les lieux où les cycles à vapeur conventionnels nécessiteraient d’importants volumes d’eau de refroidissement. Pour les projets nucléaires et solaires thermiques, un rendement supérieur réduit directement le coût de l’électricité propre.

Certains analystes évoquent également une synergie possible avec le captage du carbone. En théorie, le CO2 capté pourrait alimenter le circuit fermé comme fluide de travail, ce qui permettrait d’utiliser une partie du gaz. Cela dit, un cycle de production d’électricité nécessite du CO2 propre et sec afin de protéger les turbomachines et de limiter la corrosion. De plus, le circuit est fermé et ne consomme donc pas de CO2 neuf en continu. Une éventuelle intégration au captage porterait sur des opérations partagées de manutention, de stockage et de purification plutôt que sur l’utilisation du CO2 comme matière première qui serait brûlée ou transformée.

Le nouveau générateur répond également aux contraintes de ressources. Les économies d’eau peuvent être importantes dans les régions arides où l’eau de refroidissement se fait rare. Un système compact de production d’électricité pourrait être installé à bord de navires ou sur des sites industriels isolés, renforçant la sécurité énergétique en transformant la chaleur disponible sur place en électricité produite sur place.

La course mondiale et la suite

Aux États-Unis, en Europe et en Asie, différentes équipes améliorent la fiabilité des composants sCO2 et l’intégration des installations. Le projet STEP au Texas est passé de la mise en service des composants à un essai intégré et a produit de l’électricité lors de sa première phase, renforçant la confiance dans la possibilité de déployer et de reproduire cette technologie à plus grande échelle. L’installation raccordée au réseau dans le Guizhou est la première installation commerciale dans un procédé industriel. Elle fournira des données sur le fonctionnement continu, les cycles de maintenance et la rentabilité de la production d’électricité à partir de chaleur résiduelle dans la sidérurgie.

À l’avenir, de nouvelles installations dans des aciéries et des cimenteries sont probables si les performances annoncées se confirment sur des périodes d’exploitation mensuelles et annuelles. Les projets solaires à concentration étudient les systèmes sCO2 pour réduire la taille des bâtiments de turbines et accroître la production. Les concepteurs de réacteurs avancés envisagent le sCO2 comme système de conversion de l’énergie par défaut, en remplaçant les installations à vapeur volumineuses par des turbines et des récupérateurs compacts. Les sources nucléaires mobiles destinées aux sites isolés bénéficient également d’équipements compacts, et la densité du CO2 contribue à limiter la taille des turbines pour une puissance donnée.

La chaîne d’approvisionnement en équipements sera déterminante. Des échangeurs de chaleur à hautes performances, des joints à gaz sec et des générateurs à grande vitesse devront être disponibles auprès de plusieurs fournisseurs. Les codes et normes applicables aux appareils à pression, aux tuyauteries et aux joints utilisés avec du CO2 devront évoluer. La formation des opérateurs à l’exploitation et au dépannage du cycle en toute sécurité fera partie du déploiement commercial. Un rythme soutenu de démonstrations et de réplications peut faire baisser les coûts et convaincre les propriétaires d’usines d’adopter la technologie à grande échelle.

L’essentiel

• La Chine a raccordé au réseau deux unités au CO2 supercritique de 15 mégawatts dans une aciérie de Liupanshui, dans la province du Guizhou.
• Le système utilise la chaleur résiduelle de l’agglomération du minerai pour produire de l’électricité. Selon ses concepteurs, il convertit la chaleur résiduelle avec un rendement supérieur d’au moins 50 % à celui des installations à vapeur.
• Les cycles sCO2 fonctionnent en circuit fermé avec du CO2 au-dessus de son point critique, ce qui permet d’utiliser des turbines compactes et d’obtenir un meilleur rendement à haute température.
• Le système consomme peu d’eau et peut être installé dans des espaces restreints, ce qui le rend adapté à l’industrie lourde, aux navires et aux systèmes énergétiques isolés.
• Les réacteurs avancés et les centrales solaires à concentration sont des candidats de premier plan pour les systèmes sCO2, car ils fournissent les températures élevées nécessaires au cycle.
• Les principaux défis techniques concernent la durabilité des échangeurs de chaleur, le rendement des compresseurs à proximité du point critique et la robustesse des joints et des paliers des turbines à grande vitesse.
• Un projet pilote américain au Texas a fait fonctionner un système sCO2 intégré de 10 mégawatts électriques et produit de l’électricité durant sa première phase, témoignant des progrès réalisés hors de Chine.
• Le projet chinois fournira les premières données à l’échelle commerciale sur la production d’électricité au sCO2 à partir de chaleur résiduelle industrielle.
• Les économies d’eau et les gains de rendement contribuent aux objectifs chinois de plafonnement des émissions de carbone et de neutralité carbone, tout en améliorant l’utilisation de l’énergie dans l’industrie lourde.
• Le déploiement à grande échelle dépendra de la capacité des fournisseurs à répondre à la demande, de la fiabilité en exploitation et de la rentabilité de la reproduction des installations sur plusieurs sites.