Une avancée chinoise raccordée au réseau
La China National Nuclear Corporation (CNNC) affirme avoir mis en service la première installation commerciale au monde utilisant du CO2 supercritique pour produire de l’électricité. L’équipement est installé dans une aciérie de la province du Guizhou et injecte déjà de l’énergie sur le réseau. Sa particularité: il récupère la chaleur fatale du site industriel pour la transformer en électricité, en remplaçant la vapeur par du dioxyde de carbone comme fluide de travail.
Selon plusieurs sources, le dispositif comprend deux unités de 15 MW. En production industrielle, ces modules visent à valoriser une chaleur disponible et souvent perdue, tout en réduisant l’empreinte et la complexité des installations par rapport aux cycles vapeur traditionnels.
Comment fonctionne un cycle au CO2 supercritique ?
Le CO2 devient « supercritique » lorsqu’il est maintenu au‑dessus d’une pression et d’une température critiques. Dans cet état, il combine des propriétés proches d’un gaz et d’un liquide: il s’écoule facilement tout en restant très dense. Cette densité permet d’utiliser des turbomachines plus compactes, de réduire la taille des échangeurs et de simplifier certains éléments du cycle.
- Le système récupère une chaleur très élevée (issue ici du frittage de l’acier, au‑delà de 700 °C, soit environ 1 292 °F).
- Le CO2 supercritique se détend ensuite dans une turbine pour produire de l’électricité, puis est recomprimé et renvoyé dans le circuit via des échangeurs de chaleur.
- La compacité et la sobriété du circuit réduisent les pertes et améliorent le rendement par rapport aux boucles vapeur traditionnelles à caractéristiques thermiques équivalentes.
Rendement et gains attendus
D’après des rapports cités localement, les deux unités de 15 MW seraient au moins 50 % plus efficaces que des systèmes à vapeur lorsqu’il s’agit de convertir la chaleur fatale en électricité. Sur des sources chaudes à très haute température, un cycle au CO2 supercritique peut dépasser 50 % de rendement, quand des centrales vapeur de pointe tournent autour de 40 % dans des conditions comparables. Cette différence de performance s’explique par:
- des pertes thermodynamiques réduites,
- la densité du fluide, favorable à l’aérodynamique des machines,
- un pilotage plus fin des échangeurs et compresseurs, sur un cycle souvent plus court.
Des applications au‑delà de la sidérurgie, jusqu’au nucléaire
L’intérêt dépasse l’industrie lourde. La CNNC suggère que ce type de technologie peut être dimensionné à des puissances pertinentes pour les services publics et remplacer progressivement des boucles vapeur dans des environnements nucléaires et non nucléaires. Grâce à leur compacité, ces générateurs pourraient aussi équiper:
- des réacteurs mobiles ou modulaires,
- des navires et plateformes isolées,
- des installations solaires concentrées,
- et, à terme, certains véhicules spatiaux.
Le fait d’utiliser un fluide dense permet d’envisager des intégrations en espaces restreints, là où une turbine à vapeur imposerait de gros volumes et une infrastructure lourde.
Où en est le reste du monde ? Le démonstrateur STEP aux États‑Unis
La Chine revendique la première unité commerciale raccordée au réseau. En parallèle, les États‑Unis testent un démonstrateur de 10 MW baptisé STEP (Supercritical Transformational Electric Power) au Texas, développé par SwRI, GTI Energy, GE Vernova et le Département de l’Énergie. Déclaré « mécaniquement complet » en 2023, il a franchi en 2024 une première phase de tests, atteignant la vitesse nominale à environ 500 °C (932 °F) et produisant 4 MW. L’objectif final de la campagne est d’atteindre 10 MW autour de 715 °C (1 319 °F).
Ces jalons illustrent un momentum international: plusieurs pays expérimentent des variantes du cycle au CO2 supercritique, convaincus par la promesse d’une énergie plus propre, plus compacte et mieux adaptée à la récupération de chaleur.
Une filière patiemment construite
En Chine, l’Institute of Nuclear Power et d’autres équipes y travaillent depuis plus d’une décennie. Les progrès sur les matériaux et l’ingénierie des compresseurs ont été décisifs pour passer du laboratoire à des démonstrateurs, puis à une première exploitation commerciale. La mise en service dans une aciérie marque une étape importante: elle valide un modèle de valorisation de chaleur fatale à grande échelle, avec un raccordement au réseau et une production régulière.
Enjeux pour l’énergie propre
En s’attaquant au gisement massif de chaleur perdue dans l’industrie et en offrant une option plus efficiente pour les centrales thermiques et nucléaires, le CO2 supercritique pourrait aider à:
- diminuer les émissions en récupérant des calories aujourd’hui dissipées,
- décentraliser une partie de la production électrique au plus près des usages industriels,
- faciliter l’intégration de nouvelles architectures énergétiques plus compactes.
FAQ
Qu’est-ce qu’un cycle Brayton au CO2 supercritique ?
C’est une variante du cycle Brayton où le fluide de travail est du CO2 maintenu en état supercritique. Par rapport à la vapeur (cycle de Rankine), il permet des machines plus petites, un démarrage plus rapide et un meilleur rendement sur des sources de chaleur à haute température.
Le CO2 utilisé est-il émis dans l’atmosphère ?
Non. Le CO2 agit comme un fluide en boucle fermée. Il n’est pas brûlé et n’est pas destiné à être rejeté. Des dispositifs d’étanchéité et de surveillance limitent les fuites potentielles.
Quels sont les principaux défis techniques ?
Les points critiques concernent la résistance des matériaux à haute température, l’étanchéité sous forte pression, la stabilité thermodynamique du cycle et l’optimisation des échangeurs pour réduire les pertes. La mise au point de compresseurs très efficaces est également déterminante.
Peut-on coupler ce type de système au stockage d’énergie ?
Oui, le cycle au CO2 supercritique s’intègre bien à des systèmes de stockage thermique (réservoirs de sels fondus, roches chaudes, etc.). On peut charger le stockage avec une source variable (par exemple solaire) et décharger ensuite via la turbine CO2 pour produire une électricité plus pilotable.
Cette technologie convient-elle aux petits réacteurs modulaires (SMR) ?
Potentiellement oui. La compacité et la simplicité du cycle en font un candidat naturel pour des SMR où l’espace est compté et où l’on recherche des systèmes à haute densité de puissance avec des rendements élevés.
