La thermodynamique cherche depuis plus de 2 siècles des solutions pour transformer de manière la plus efficace possible l’énergie thermique (« la chaleur ») en énergie mécanique (puis dans certains cas, en fonction des besoins, en électricité). Cette transformation est réalisée grâce à des cycles thermodynamiques dont le plus connu est le cycle idéal de Carnot (voir paragraphe « Parlons rendement »).

Aujourd’hui nous roulons, volons, naviguons, fabriquons de l’électricité, refroidissons ou réchauffons grâce à des cycles thermodynamiques mis en œuvre dans nos moteurs, turbines, réacteurs, réfrigérateurs, pompes à chaleur etc... Par exemple :

    *Le Cycle de Rankine est utilisé dans toutes les centrales à vapeur y compris les centrales nucléaires
    *Le Cycle de Beau de Rocha/Otto utilisé dans les moteurs à quatre temps
    *Le Cycle de Brayton utilisés dans les turbines à gaz et les réacteurs d’avion et de fusée
    *Le Cycle de Stirling utilisés dans les moteurs du même nom

La technologie des Cycles Organiques de Rankine (ORC) est très proche de la technologie utilisée dans les cycles vapeur (Cycle de Rankine): un fluide de travail est chauffé puis vaporisé grâce à une source de chaleur. La vapeur produite est ensuite détendue dans une turbine pour produire de l’énergie mécanique puis de l’électricité grâce à un alternateur. Le fluide est ensuite condensé pour fermer le cycle thermodynamique (schématisé sur la figure suivante). Ce cycle tient son nom du physicien Ecossais William Rankine (19e siècle) qui permit ainsi l’essor de la production d’énergie électrique. La différence entre un cycle classique et un cycle organique tient au choix du fluide de travail : dans les ORC, l’eau est remplacée par un fluide organique.

Le cycle de Rankine a fait ses preuves dans toutes les centrales thermiques à vapeur, à énergie fossile, biomasse ou nucléaire. Cependant cycle utilisant de la vapeur ne permet pas de récupérer des sources de chaleur à basses températures de manière performante ou de faire des centrales de petite taille économiquement intéressantes.

En remplaçant l’eau par un autre fluide - choisi en fonction de température de la source chaude - on obtient des modules performants et compacts adaptés à de nombreuses applications (petite cogénération biomasse, solaire thermodynamique, récupération de chaleur, géothermie basse température etc.) :parmi tous les fluides, ceux issus de la chimie du carbone ont la préférence d’où l’appellation de Cycle ORGANIQUE de Rankine (chimie organique=chimie du carbone) appelé aussi ORC (Organic Rankine Cycle en anglais).

L’efficacité énergétique (que l’on confond souvent avec le rendement par abus de langage) d’un cycle est le rapport entre la quantité d’énergie qui peut être récupérée par l’utilisateur et l’énergie qu’il a fallu utiliser pour faire fonctionner la machine. Plus l’efficacité est élevée plus le cycle est performant. Pour certaines machines produisant de l’énergie thermique, l’efficacité peut être supérieure à 1.

Le rendement d’un cycle est lui le rapport entre ce que la machine produit réellement et ce qu’elle pourrait produire dans le cas d’un cycle idéal (cycle théorique réversible). Tous les cycles réels ont un rendement inférieur à 1 en raison des irréversibilités intrinsèques aux machines.

Pour toute machine utilisant une source chaude et une source froide - c’est ce que l’on appelle une machine thermique ditherme et le cycle de Rankine en fait partie- il existe une limite supérieure pour l’efficacité dépendant de la température de la source chaude (Tc) et de la source froide (Tf). Cette efficacité idéale est appelée efficacité de Carnot du nom du physicien Sadi Carnot (1796-1832) le premier à avoir publié ce cycle réversible idéal : détente isotherme, détente adiabatique/isentropique, compression isotherme et compression adiabatique/isentropique. L’efficacité d’un tel cycle est égale à :

   Efficacité = 1 - Tf/Tc avec Tf et Tc en Kelvin

Une efficacité de 100% est donc en pratique irréalisable même pour un cycle réversible car cela impliquerait l’utilisation d’une source froide à 0K.
Pour un cycle réel, il faut en plus tenir compte des irréversibilités : la détente et la compression ne sont ainsi pas isentropiques. Si on veut améliorer le rendement d’une machine, il faudra donc :

    * augmenter l’écart de température entre la source chaude et froide.
    * se rapprocher le plus possible de compressions et de détentes isentropiques.

Les deux méthodes peuvent êtres utilisées simultanément.

Pour des températures de sources chaudes et froides données, l’écart entre le rendement réel et le rendement théorique de Carnot est du aux irréversibilités.
Les machines à cycle organique de Rankine ont toujours été critiquées pour leur faible rendement. Ce faible rendement est principalement lié à la faible différence de température entre source chaude et source froide dans les applications considérées. En effet, un module ORC fonctionnant à basse température entre une source chaude à 150° et une source froide à 30°C (l’air) possède une efficacité d’environ 12%. L’efficacité idéale de Carnot est dans ce cas de 23%. Le rendement du module est donc de 52% ce qui est un chiffre tout à fait acceptable. Un cycle utilisant de la vapeur aurait un rendement légèrement inférieur (10%) et posséderait de plus des inconvénients indéniables comme une maintenance plus lourde (à cause de la condensation de la vapeur en fin de détente) et des coûts d’exploitations plus élevés (système de déminéralisation en particulier).

La capacité de valoriser des systèmes possédant un faible écart de température entre la source chaude et la source froide est la force de la technologie ORC.

Le nombre de fluides potentiellement utilisables dans un ORC est très important ce qui permet de s’adapter au mieux à la température de la source chaude:

    *Des réfrigérants sont utilisés pour les sources basse température (<150°C)
    *Des hydrocarbures permettent de valoriser des sources à moyenne température (150°C - 250°C)
    * Enfin pour les sources chaudes avec des températures plus élevées, supérieures à 250°C, on utilise une catégorie de fluides appelés « siloxanes », des chaines carbonées possédant un ou plusieurs atomes de silicium

Les fluides utilisés par les constructeurs ORC ont été choisis pour leur impact faible sur l’environnement. Ils respectent ainsi le protocole de Montréal et possèdent un Potentiel de Destruction de l’Ozone (ODP) nul. Le cycle thermodynamique étant fermé, le fluide ne risque pas de s’échapper du module.

Ces fluides sont dans certains cas inflammables. Cette inflammabilité n’est pas un problème en soit, pas plus que l’inflammabilité du gaz naturel ne pose de problèmes insurmontables dans les moteurs à gaz. Tous les modules ORC possèdent des systèmes d’étanchéité performants ainsi que des systèmes de protection lorsque la concentration du fluide dans l’air dépasse une certaine limite.

Quand on se penche sur la technologie des ORC on se pose tout d’abord la question de l’intérêt qu’il y a à remplacer l’eau par un fluide organique. L’eau est gratuite, sans risque pour l’homme et l’environnement et est utilisée depuis le 18ème siècle pour les applications de cycle thermodynamique. Pourquoi changer ?

De fait l’eau n’a pas que des avantages. On peut citer en particulier :

    *La nécessité de posséder une source chaude à plus de 400°C pour obtenir une efficacité de cycle économiquement rentable
    *Un fonctionnement à des pressions supérieures à 40 bars qui obligent à une surveillance permanente
    *La nécessité de mettre en place des auxiliaires coûteux comme des systèmes de déminéralisation. Ces coûts fixes empêchent les installations de petites tailles (moins de 2MWe)
    *La difficulté de trouver des constructeurs fiables pour des petites puissances
    *L’usure de la turbine à cause de la présence d’eau en fin de détente

Ce dernier point est particulièrement important lorsque l’on compare cycle ORC et cycle vapeur. L’eau est un fluide dit « mouillant » (la courbe de saturation dans le diagramme T-S est à gauche sur le schéma suivant). Lorsque l’on détend la vapeur d’eau dans la turbine, des gouttes peuvent apparaitre et abimer les ailettes. Au contraire, les fluides organiques utilisés dans les cycles ORC sont des fluides dits « séchants », c’est-à-dire que la détente dans la turbine se fait en permanence à l’état de vapeur (voir courbe de saturation dans le diagramme T-S de droite). Ceci permet d’augmenter la durée de vie des turbines et de diminuer les coûts d’exploitation et de maintenance.

Les ORC apportent de vraies solutions vis-à-vis de ces problèmes. La technologie permet de produire de l’électricité à partir d’une source de chaleur à basse température (jusqu’à 70°C). En fonction de la température de la source chaude, il est également possible de faire de la cogénération (production combinée d’électricité et de chaleur).

Les modules ORC permettent une production décentralisée grâce à leur puissance relativement faible - entre 100kW et 2,5MWe – qui correspond ainsi parfaitement aux besoins actuels des réseaux électriques. Les modules ORC sont compacts, autonomes – l’exploitation et la maintenance sont légères – et possèdent une durée de vie supérieure à 20 ans. La technologie des ORC est mâture.

Aujourd’hui, il existe plus de 350 sites ORC à travers le monde pour une puissance installée supérieure à 1,5GW. A ceux-ci il convient de rajouter 50 références en cours d’installation. Le nombre de références et la puissance installée est en augmentation continue depuis plus de 20 ans. On observe même une accélération du nombre de projets depuis le début des années 2000.