La fin de l’ère de la vapeur ?
Depuis près de deux siècles, la production d’électricité repose sur un principe simple, inchangé depuis la révolution industrielle : faire bouillir de l’eau pour produire de la vapeur, faire tourner une turbine et générer de l’électricité. Cette technologie du cycle de Rankine domine aujourd’hui 80 % de la production mondiale d’électricité. En décembre 2025, la Chine a rompu avec cette tradition en mettant en service Chaotan One, le premier générateur commercial d’électricité au dioxyde de carbone supercritique au monde. Installée dans une aciérie de Liupanshui, dans la province du Guizhou, l’unité a commencé à convertir la chaleur industrielle résiduelle en électricité à l’aide de dioxyde de carbone comprimé jusqu’à l’état supercritique. Elle a ainsi obtenu des gains de rendement qui remettent en question les fondements économiques de la production d’électricité thermique.
Sommaire
- La fin de l’ère de la vapeur ?
- Comment le CO₂ supercritique change la donne
- Dix-sept ans de développement
- Pourquoi la Chine a devancé les États-Unis sur le réseau
- Transformer la chaleur résiduelle en revenus
- Des doutes sur la durabilité et des risques techniques
- Au-delà de l’acier : les prochaines pistes
- À retenir
Le système comprend deux unités de 15 mégawatts, soit une puissance totale de 30 mégawatts, raccordées au réseau sur le site de l’aciérie Shougang Shuicheng. En récupérant la chaleur résiduelle du frittage, auparavant rejetée dans l’atmosphère, l’installation produit plus de 70 millions de kilowattheures par an et rapporte environ 30 millions de yuans (quelque 4,26 millions de dollars) à l’aciérie. Plus important encore, cette technologie ouvre la voie à la modernisation des infrastructures industrielles existantes plutôt qu’à la construction de nouvelles installations, un avantage crucial alors que la demande mondiale d’électricité s’accélère.
Comment le CO₂ supercritique change la donne
Le CO₂ supercritique se trouve dans un état hybride entre liquide et gaz, atteint lorsque le fluide dépasse 31 degrés Celsius et une pression de 73 atmosphères, équivalente à celle qui règne à 800 mètres sous la surface de l’océan. Dans cet état, le CO₂ présente la densité d’un liquide tout en conservant les propriétés d’écoulement d’un gaz. Il peut ainsi entraîner des turbines avec davantage de force et beaucoup moins de frottement que la vapeur. Cette technologie remplace le cycle de Rankine traditionnel, qui convertit environ 33 % de l’énergie thermique en électricité, par un cycle de Brayton dont le rendement théorique peut dépasser 50 %.
Contrairement aux systèmes à vapeur, le système au CO₂ supercritique fonctionne en circuit entièrement fermé : le fluide de travail est continuellement recyclé, sans rejet dans l’atmosphère, et aucun système de refroidissement à eau n’est nécessaire. Ce fonctionnement sans eau est particulièrement précieux dans les régions arides, où les centrales thermiques traditionnelles sont soumises à des contraintes d’exploitation. Sa conception compacte réduit de 50 % l’emprise au sol par rapport à des systèmes à vapeur équivalents, tandis que son architecture simplifiée nécessite moins de composants auxiliaires et permet une réponse plus rapide.
Huang Yanping, scientifique en chef à l’Institut chinois de l’énergie nucléaire et concepteur principal de Chaotan One, a décrit cet avantage thermodynamique à l’aide d’une image parlante.
C’est comme un homme fort qui pédale sur un vélo enduit d’huile lubrifiante, ce qui lui permet d’avancer sans effort sur de longues distances.
La conception en circuit fermé répond à des contraintes majeures auxquelles sont confrontées les infrastructures énergétiques modernes. Alors que les centres de données dédiés à l’intelligence artificielle et l’industrie manufacturière de pointe font exploser la demande d’électricité, les États-Unis, à eux seuls, devraient avoir besoin d’augmenter leur capacité de production de 165 % d’ici à 2030 pour alimenter les installations d’IA. La possibilité de déployer des moyens de production efficaces sans construire de nouvelles installations devient donc un enjeu stratégique. Cette technologie récupère l’énergie de sources de chaleur résiduelle à température moyenne, jusque-là jugées trop peu rentables pour produire de l’électricité.
Dix-sept ans de développement
La mise en service commerciale de Chaotan One couronne un programme de recherche lancé en 2009 par l’Institut chinois de l’énergie nucléaire, sous l’égide de la China National Nuclear Corporation. Il a fallu résoudre des problèmes d’ingénierie fondamentaux qui freinaient les progrès internationaux depuis la première présentation du concept, en 1948. L’une des avancées décisives a été la mise au point d’échangeurs thermiques à microcanaux d’environ un millimètre de diamètre, indispensables à un transfert de chaleur efficace sous pression supercritique.
Le procédé de fabrication a nécessité des innovations dans le soudage par diffusion sous vide, une technique qui lie des plaques métalliques à haute température et sous forte pression sans les faire fondre. Après le refus de fournisseurs étrangers d’exporter cette technologie, inscrite sur des listes de contrôle des exportations soumises à de strictes restrictions, l’équipe de Huang a consacré 829 jours de recherche à tester 218 paramètres de soudage différents au cours de 27 cycles d’optimisation. Les échantillons ratés ont fini par remplir la moitié d’un entrepôt. Le soudage décisif a été obtenu lors du 49e essai, par un froid matin d’hiver 2021, puis confirmé par les courbes vertes stables affichées sur les écrans de surveillance du laboratoire.
L’étanchéité constituait un autre obstacle majeur. Selon les idées reçues, les turbines au CO₂ supercritique de plusieurs mégawatts étaient impossibles à réaliser en raison des risques de fuite au niveau des arbres tournants sous haute pression. Des experts étrangers ont déconseillé à Huang de développer des unités de plus de 100 kilowatts, jugeant les systèmes de plusieurs mégawatts impossibles à mettre au point. L’équipe n’a pas renoncé : après avoir étudié plusieurs techniques d’étanchéité, elle a développé des systèmes à garniture mécanique sèche adaptés aux conditions du CO₂ supercritique, réalisant ainsi la première mise en œuvre au monde d’une telle technologie à l’échelle du mégawatt pour des turbomachines au CO₂ supercritique.
Pourquoi la Chine a devancé les États-Unis sur le réseau
Alors que la Chine célébrait le raccordement au réseau de l’installation le 20 décembre 2025, les États-Unis poursuivaient les essais d’une technologie similaire dans le cadre du programme Supercritical Transformational Electric Power des Sandia National Laboratories. L’approche américaine privilégie une validation exhaustive en laboratoire avant tout déploiement commercial. En avril 2022, Sandia a fourni 10 kilowatts au réseau pendant 50 minutes grâce au CO₂ supercritique, puis a atteint 4 mégawatts synchronisés avec le réseau en octobre 2024. Les objectifs de commercialisation américains restent toutefois fixés au milieu des années 2030.
Cette divergence reflète des philosophies de l’innovation différentes. Les chercheurs américains s’attachent à résoudre tous les problèmes théoriques et à caractériser le comportement des matériaux à long terme avant de passer à l’échelle supérieure. Ils s’appuient pour cela sur de nombreux essais de corrosion et des programmes de qualification des alliages. Le développement chinois suit une méthode pragmatique, décrite dans le pays comme le fait de traverser la rivière en tâtant les pierres. Cette approche, qui consiste à construire d’abord, accepte que des difficultés d’exploitation apparaissent et soient résolues au fil des améliorations. Elle a permis un déploiement rapide, mais laisse subsister des incertitudes sur la fiabilité à long terme que des calendriers de développement plus prudents cherchent à réduire.
Le département américain de l’Énergie a identifié en 2017 la production d’électricité au CO₂ supercritique comme une technologie stratégique de pointe, et le MIT Technology Review l’a classée en 2018 parmi les dix technologies de rupture les plus prometteuses. Malgré cette reconnaissance précoce, la prudence réglementaire et la priorité accordée à une réduction globale des risques ont retardé sa commercialisation aux États-Unis.
Transformer la chaleur résiduelle en revenus
L’installation Chaotan One s’attaque à un obstacle de longue date : la récupération de chaleur à température moyenne à petite et moyenne échelle. Les systèmes à vapeur traditionnels sont souvent trop peu rentables pour récupérer la chaleur résiduelle en dessous de certains seuils de température, laissant une part importante de l’énergie inutilisée. Le meilleur rendement thermodynamique du cycle au CO₂ supercritique permet de récupérer une énergie qui se dissiperait autrement, offrant à l’industrie lourde une voie concrète vers la décarbonation sans nécessiter la reconstruction complète des installations.
Dans l’aciérie, le système récupère la chaleur résiduelle du frittage, un procédé qui consiste à chauffer des fines de minerai de fer avant leur introduction dans le haut-fourneau. Cette chaleur était auparavant perdue. L’installation montre que les générateurs au CO₂ supercritique peuvent atteindre un rendement de production supérieur de 85 % et une puissance nette supérieure de 50 % à ceux des systèmes conventionnels de récupération de chaleur par la vapeur, tout en occupant deux fois moins d’espace.
Au-delà des retombées économiques immédiates, cette technologie contribue aux objectifs chinois de neutralité carbone en transformant les flux de déchets industriels en électricité propre. L’absence de consommation d’eau présente un intérêt particulier dans le sud-ouest de la Chine, où la pénurie d’eau limite souvent l’expansion industrielle. Contrairement aux centrales à vapeur, qui nécessitent d’importants volumes d’eau de refroidissement, le système au CO₂ supercritique en circuit fermé fonctionne efficacement dans les régions arides, élargissant ainsi les zones où la récupération de chaleur résiduelle devient rentable.
Des doutes sur la durabilité et des risques techniques
Malgré cette avancée, des analystes indépendants appellent à ne pas accepter sans réserve les premiers chiffres de performance. Michael Barnard, analyste chez CleanTechnica, estime entre 40 et 70 % la probabilité que les performances de Chaotan One se dégradent de manière mesurable dans les deux à cinq ans. Son évaluation repose sur plusieurs mécanismes de défaillance susceptibles de se conjuguer dans les systèmes au CO₂ supercritique fonctionnant à 200 atmosphères et à haute température.
Les échangeurs thermiques de précision utilisent le soudage par diffusion pour créer des microcanaux capables de résister à des pressions extrêmes. Lorsque les interfaces soudées commencent à se dégrader, leur réparation est pratiquement impossible et nécessite le remplacement de l’unité entière. La cémentation, c’est-à-dire la diffusion du carbone dans les alliages d’acier sous conditions supercritiques, peut fragiliser les matériaux et modifier la rugosité des surfaces à l’intérieur des canaux. La perte de charge augmente alors et le rendement du cycle diminue avec le temps, érodant progressivement l’avantage de 85 % annoncé lors de la mise en service.
L’étanchéité constitue une autre vulnérabilité. Petite et mobile, à l’image de l’hydrogène, la molécule de CO₂ sous haute pression exige une étanchéité parfaite au niveau des arbres tournants et des brides soumis à des cycles thermiques et mécaniques. Les données historiques des stations de ravitaillement en hydrogène, où les défaillances des joints sont à l’origine d’environ 50 % des interruptions de service, laissent penser que maintenir une étanchéité parfaite pendant plusieurs années d’exploitation continue pourrait être un objectif optimiste. De petites fuites modifient la quantité de fluide de travail et éloignent les compresseurs de leur point de fonctionnement optimal, ce qui accroît les consommations auxiliaires.
La contamination industrielle aggrave ces risques. Les gaz d’échappement de l’aciérie contiennent des particules, des oxydes métalliques et des composés soufrés qui encrassent les surfaces d’échange thermique et réduisent progressivement le rendement, comme le ferait une accumulation de calcaire. Barnard estime entre 60 et 85 % la probabilité d’une perte de performance liée à l’encrassement dans cet environnement industriel au bout de deux à cinq ans, ce qui pourrait réduire la température à l’entrée de la turbine, même si le circuit interne de CO₂ reste intact.
Au-delà de l’acier : les prochaines pistes
La CNNC a déjà annoncé des projets d’expansion associant la technologie du CO₂ supercritique à des systèmes de stockage d’énergie à sels fondus, avec des essais de démonstration prévus d’ici à 2028. Cette approche hybride répond au problème de l’intermittence des énergies renouvelables : elle stocke l’énergie thermique dans des sels fondus, puis la convertit en électricité grâce au cycle efficace du CO₂ supercritique lorsque la demande atteint son pic. Le projet a été retenu dans le cinquième lot chinois de grands équipements énergétiques de première réalisation.
La compatibilité de cette technologie avec les centrales solaires thermodynamiques offre une autre perspective de développement. Ces installations produisent des températures élevées, idéales pour les cycles de Brayton au CO₂ supercritique, et pourraient atteindre des rendements de conversion supérieurs à ceux des centrales solaires à vapeur actuelles. Le nucléaire est également concerné : les turbomachines compactes présentent des avantages pour les concepts de réacteurs avancés, notamment les petits réacteurs modulaires et les systèmes refroidis par gaz à haute température.
Huang Yanping envisage des applications plus larges dans le stockage de l’énergie, la récupération de chaleur résiduelle et la fourniture de vapeur industrielle. Cette avancée cible en particulier les sources thermiques de moyenne puissance, qui se sont jusqu’ici prêtées difficilement à une conversion efficace, et ouvre des marchés où les équipements de production électrique n’étaient pas rentables. Si la technologie fait ses preuves en matière de durabilité dans les prochaines années, elle pourrait profondément modifier l’économie de la production décentralisée et de la décarbonation industrielle dans le monde entier.
À retenir
- Chaotan One, le premier générateur commercial d’électricité au CO₂ supercritique au monde, a été mis en service dans la province du Guizhou, en Chine, en décembre 2025
- L’installation de 30 mégawatts récupère la chaleur résiduelle d’une aciérie et produit de l’électricité avec un rendement supérieur de 85 % à celui des systèmes à vapeur conventionnels
- Le CO₂ supercritique fonctionne au-delà de 31 degrés Celsius et de 73 atmosphères, avec une densité proche de celle d’un liquide et des propriétés d’écoulement proches de celles d’un gaz
- Son développement a nécessité 17 ans de recherche, avec des avancées dans le soudage par diffusion sous vide et les systèmes d’étanchéité à gaz sec à l’échelle du mégawatt
- Le système en circuit fermé ne nécessite pas d’eau pour le refroidissement et peut être installé dans des infrastructures industrielles existantes sans nouvelle construction
- Les analystes alertent sur les risques de dégradation des échangeurs thermiques, de fuites au niveau des joints et de contamination industrielle, qui représentent une probabilité de 40 à 70 % de baisse des performances dans les deux à cinq ans
- Les États-Unis poursuivent les essais d’une technologie similaire dans le cadre du programme STEP, avec un déploiement commercial prévu dans les années 2030
- Les applications futures comprennent l’intégration au stockage d’énergie à sels fondus, à l’énergie solaire thermodynamique et aux réacteurs nucléaires avancés
