Voies vers la vapeur décarbonée

Notre accent peut souvent sembler porté sur l’optimisation. Rendre les systèmes de vapeur aussi efficaces que possible reste une partie fondamentale de notre activité, et continuera de l’être. Les raisons pour lesquelles cela a du sens ne disparaîtront pas avec l’utilisation des combustibles fossiles.

Quel que soit le chemin qu’une industrie décide de suivre sur la voie de la décarbonisation, l’étape critique initiale sera toujours de maximiser l’efficacité. Améliorer la façon dont la chaleur est générée, distribuée et consommée réduit non seulement les coûts énergétiques actuels, mais crée également les fondations pour les étapes suivantes du parcours. Mais l’élimination des combustibles émettant du carbone est l’objectif ultime — la décarbonisation. Les enjeux sont élevés et le défi est significatif. L’énergie thermique est vitale pour tant d’industries, et avec autant de façons différentes de l’utiliser, il n’y a pas une seule voie pour atteindre les objectifs net zero. La chaleur représente les deux tiers de la demande énergétique totale dans l’industrie aux États-Unis, mais seule 10% de celle-ci provient de sources renouvelables. Au Royaume-Uni, c’est une situation similaire ; 70% de la demande énergétique industrielle britannique est pour la chaleur.

Comment la vapeur est devenue si répandue dans tous les types d’industrie ne fait pas débat. C’est une question de physique ; ou plus précisément, de thermodynamique. La capacité de la vapeur à transférer l’énergie thermique là où elle est nécessaire est inégalée par quoi que ce soit d’autre. La relative facilité avec laquelle elle peut parcourir des distances — même des kilomètres dans une grande usine — en fait également un milieu terriblement efficace. Les industries ne prennent pas de décisions à la légère ; si elles utilisent la vapeur, c’est parce qu’aucune meilleure alternative n’a encore été trouvée.

En fait, ce n’est pas la vapeur elle-même qui a besoin d’être décarbonée. Comme nous le préconisons depuis longtemps, la vapeur est une technologie naturelle à son meilleur. Le problème vient de la façon dont nous la générons en premier lieu. C’est une distinction importante, car souvent la vapeur est regroupée avec les combustibles fossiles qui ont traditionnellement été utilisés pour la produire — gaz, pétrole et charbon. Nous savons maintenant que ces sources d’énergie nuisent à notre planète en élevant les niveaux de gaz à effet de serre à un point qui est préjudiciable. La vapeur ne le fait pas ; ce n’est pas une source d’énergie, c’est un milieu de transfert d’énergie. Pour les innombrables industries qui ont besoin de la vapeur pour fonctionner aux niveaux de production et d’efficacité dont nous avons tous pris l’habitude, c’est une bonne nouvelle. Nous avons juste besoin de progresser sur la voie de la décarbonisation de la production de vapeur.

Repensez à quelques années en arrière, et comptez combien de véhicules électriques (VE) vous voyiez au quotidien. Très peu, avec le moteur à combustion interne, alimenté à l’essence ou au diesel, complètement dominant. Puis, en 2003, Tesla est arrivé sur la scène et a inlassablement promu la promesse des voitures électriques. Les avancées en technologie des batteries, et en fin de compte des modèles plus abordables, ont augmenté l’adoption des options décarbonées. Aujourd’hui, les ventes de VE augmentent de manière exponentielle, bien que depuis une très petite base.

Mais une chose n’a pas changé ; ils dépendent toujours de la roue. La physique derrière un essieu combiné avec des roues n’a pas beaucoup changé en plus de 6 000 ans, mais le moyen de la propulser, oui. Et, tout comme la roue, il est tout à fait possible de conserver tous les avantages que la vapeur offre en changeant la façon dont elle est produite.

La nature polyvalente de l’utilisation de la vapeur dans l’industrie signifie que chaque industrie devra choisir sa propre voie vers la décarbonisation. Elle ne suivra même pas nécessairement un parcours linéaire A-Z ; il y a plus probablement diverses mesures qui peuvent être employées pour atteindre cet objectif final.

Mais, si la vapeur est toujours considérée comme une partie vitale des opérations de cette industrie, à un moment donné, trouver un moyen de l’utiliser sans produire d’émissions de carbone (ou les minimiser de manière significative) est critique. Il existe actuellement cinq principaux candidats pour relever ce défi.

L’utilisation d’électricité générée par des sources renouvelables ou l’énergie nucléaire, appelée « électricité bénéfique », est en tête de course. Il y a plusieurs raisons à cela. La première est que c’est une technologie éprouvée, les chaudières électriques pouvant convertir l’électricité en chaleur avec une efficacité proche de 100% et des pertes par rayonnement minimales des surfaces du boiler. Il y a ensuite le coût en capital potentiellement attractif, une étude montrant que les chaudières électriques sont près de 40% moins chères qu’un boiler à gaz naturel équivalent.¹

D’autres points positifs s’ajoutent : aucun changement nécessaire dans les processus d’utilisation finale, uniquement dans la chaufferie elle-même. Il existe des options pour électrifier d’autres parties des processus industriels, mais celles-ci nécessitent souvent des modifications des processus de production et des technologies existants. Le principal obstacle à une adoption accrue de cette option est que l’électricité reste comparativement plus chère que les combustibles fossiles. Même lorsque cela diminuera, comme c’est probable à mesure que les renouvelables augmentent leur part dans la production d’électricité, les réseaux devront être développés pour fournir la montée en puissance de la demande. C’est pourquoi on s’attend à ce que les émissions de CO2 augmentent, temporairement, pendant que l’industrie de la production et de la distribution d’électricité s’adapte à cette transition.

Si elle est produite de manière durable, la biomasse est une perspective prometteuse pour remplacer les combustibles fossiles dans certaines industries, bien que du carbone puisse encore être émis lors de sa combustion, à des niveaux inférieurs à ceux des combustibles fossiles. Au Danemark, par exemple, une entreprise énergétique a déjà complètement décarboné sa production de chaleur, y compris la fourniture de vapeur pour l’industrie, en utilisant la biomasse à la place du charbon pour les unités de cogénération (CHP).

Encore à un stade précoce et relativement cher, l’hydrogène est considéré comme une possibilité réelle pour remplacer les combustibles fossiles dans les processus à haute température, et sera capable de générer de la vapeur à toute température requise. Il reste des problèmes liés à la nécessité de capturer certaines émissions lors de sa production et de son utilisation, et le contrôle des brûleurs n’est pas aussi simple.

Ce domaine émergent des technologies propres est très prometteur, compte tenu en particulier de la nature intermittente de certaines sources d’énergie renouvelable. Pouvoir capter l’excédent ou l’électricité renouvelable à faible coût en échauffant un milieu de stockage à des températures pouvant atteindre 400 °C est actuellement bien supérieur à ce qui est réalisable avec les pompes à chaleur. Des travaux sont également en cours pour capter la vapeur elle-même pour des périodes courtes, utile lorsqu’elle n’est pas nécessaire sur une base continue.

Certaines industries, en raison de la nature intensive de leurs opérations, continueront probablement d’avoir besoin de combustibles fossiles, au moins en partie. Parfois, cela pourrait servir de transition pendant des périodes où la production ne peut pas être arrêtée, mais où les alternatives sans carbone ou à faible émission de carbone ne sont pas disponibles.

La vapeur n’a pas atteint sa position dominante en tant que moyen indispensable de chaleur industrielle du jour au lendemain. Nous n’avons pas non plus besoin de supposer que nous ne pouvons plus profiter de ses nombreux avantages. Le nouveau chapitre de la vapeur décarbonée est déjà en cours. Il s’agit moins d’abandonner ce qui a si bien fonctionné pendant des décennies, que de le réimaginer pour l’avenir. Avec le bon engagement et l’innovation, les industries peuvent continuer à exploiter la puissance de la vapeur, mais d’une manière qui s’aligne avec l’engagement mondial en faveur d’un avenir durable. Les perspectives sont prometteuses, et avec un effort collectif, un avenir décarboné n’est pas seulement une possibilité, mais une réalité imminente.

Sources :

1 : Ali Hasanbeigi, Lynn A. Kirshbaum, Blaine Collison, and David Gardiner : Electrifying U.S. Industry: A Technology- and Process-Based Approach to Decarbonization, 2021.

Edward Rightor, Andrew Whitlock, and R. Neal Elliott : Beneficial Electrification in Industry, juillet 2020

Ricardo : Pathways to Industrial Heat Decarbonisation, novembre 2022.

M. Jibran S. Zuberi, Ali Hasanbeigi, William R. Morrow : Electrification of Boilers in U.S. Manufacturing, 2021.

Lisa Neusel, Simon Hirzel, Matthias Rehfeldt : Still alive, but different in the future? Decarbonisation of industrial steam boilers from a multi-dimensional perspective, 2022.

Electrifying U.S. Industry — Global Efficiency Intelligence