En 2022, l'Ademe lance un appel à projets centré sur la démonstration et l'appropriation par les industriels de solutions de production bas carbone (DemiBac). Un consortium de seize partenaires français dépose, en octobre de la même année, un dossier de demande de subvention pour le développement d'une chaudière à tubes de fumée à oxycombustion visant une gamme de puissance allant de 1 à 20 MW – qui permettrait à ses futurs utilisateurs de réduire leurs émissions directes de CO2 de l'ordre de 90 % pour les usages vapeur et eau chaude. En août 2023, le projet est retenu et bénéficie d'une aide de 1,2 million d'euros de la part de l'Ademe, sur un coût total de 2,9 millions. Un premier démonstrateur de 3 MW va bientôt voir le jour sur une plateforme industrielle des Hauts-de-France.
Oxycombustion
« Aujourd'hui, la plupart des chaudières fonctionnent en aérocombustion. C'est-à-dire qu'elles utilisent comme comburant l'air issu de l'atmosphère et font ainsi rentrer beaucoup d'azote dans le système. Les émissions de carbone sont importantes, mais difficilement captables en l'état », explique Florian Lagrange, chargé du projet pour Naldeo Technologies & Industries, structure chef de file technique du groupement. Pour remédier à cela, un système à oxycombustion a été conceptualisé. Un procédé qui consiste à brûler de l'oxygène pur, occasionnant un rendement très légèrement supérieur au système à aérocombustion. « S'il existait déjà, il n'avait jusqu'alors jamais été appliqué sur une installation de chaufferie industrielle. En effet, l'enveloppe métallique des foyers des chaudières industrielles est incompatible avec le niveau de température extrêmement élevé des flammes issues de la réaction oxycombustive », ajoute Florian Lagrange. Un obstacle que le groupement contourne en utilisant une boucle de recirculation des fumées – le refroidissement des fumées obtenu par ce parcours et l'échange thermique consécutif avec les nouvelles flammes du foyer, rendant cette combustion compatible avec l'existant. « Il existe bien entendu des brûleurs à oxycombustion pour des applications à hautes températures (fusion du verre, céramique, métaux) dont les fours, protégés par des réfractaires, sont adaptés à des températures très élevées. Mais pour assurer le devenir et la commercialisation de notre solution, il était essentiel que celle-ci puisse s'adapter à l'existant et ainsi ne pas engendrer de coûts trop importants pour qui souhaiterait s'en équiper », insiste Florian Lagrange.
Décarbonation et valorisation
La réaction oxycombustive produit des fumées moins importantes, mais plus denses en CO2 (donc plus facilement captables) que celles issues de l'aérocombustion. L'eau est récupérée dans les fumées à échelle d'un demi-mètre cube par heure, et disponible pour valorisation par l'utilisateur, selon ses propres besoins. Par exemple, dans le cadre du démonstrateur, l'eau sera utilisée pour abonder le circuit d'une station d'épuration. « Sa réinjection dans la chaudière, à l'instar de certains modèles domestiques, est une option envisagée parmi d'autres, et qui sera étudiée en phase de commercialisation », indique Florian Lagrange. Quant au CO2, en fonction du procédé de capture et de stockage mis en œuvre, il peut être récupéré aussi bien à l'état liquide après liquéfaction qu'à l'état gazeux.
« Sur la base d'un remplacement de 1 000 chaudières industrielles au gaz d'une puissance moyenne de 3 MW et fonctionnant 7 000 heures par an, on estime une réduction des émissions de CO2 de l'ordre de 4 millions de tonnes par an grâce à notre solution », signale Florian Lagrange.
Adaptabilité
Sur les seize partenaires composant le consortium (1) , huit font partie des secteurs de l'agroalimentaire, du bâtiment ou encore de l'industrie lourde, ou sont des développeurs de solutions de valorisation du CO2, et sont qualifiés d'observateurs. « Certains observateurs sont de potentiels futurs clients qui permettent d'aiguiller le projet en termes d'exigences et de contraintes », explique Florian Lagrange. Avec une demande et un objectif : l'adaptabilité. « L'écosystème dans lequel sera implantée la solution sera à considérer au cas par cas. Toutefois, le process final de valorisation ne nous concerne pas », insiste-t-il. Mais avec une volonté d'intégrer la chaudière directement sur chaque site, une préétude de faisabilité quant à son implantation reste nécessaire, car les hypothèses sont nombreuses.
Vaut-il mieux se faire livrer le dioxygène ou le produire sur place ? Et à quel coût de revient ? Florian Lagrange et ses équipes misent en tout cas pour sa commercialisation sur l'essor du biogaz à production d'électricité ou du biométhane injecté dans les réseaux de gaz, source d'approvisionnement possible pour la chaudière. Selon les statistiques du ministère de l'Écologie, le premier est en hausse de 568 à 599 MW de production totale sur le territoire français depuis 2022, le second en hausse de 18 %. « En effet, en faisant fonctionner notre chaudière avec du biogaz comme combustible, on la rend équivalente à un puits de carbone, à condition bien entendu qu'elle soit couplée à une voie durable de piégeage du CO2 (séquestration par exemple). C'est-à-dire qu'on va soustraire du CO2 de l'atmosphère tout en produisant de la chaleur utile », conclut Florian Lagrange. Un pari gagnant pour satisfaire aux exigences de la Stratégie nationale bas carbone ?
