La plupart des usines agroalimentaires paient deux fois leur énergie : une fois pour le refroidissement et une fois pour le chauffage. Or, la chaleur est générée comme sous-produit du processus de refroidissement et est rejetée chaque jour sans être valorisée. La plus grande ressource inexploitée dans les usines agroalimentaires n’est pas constituée par les énergies externes non renouvelables, mais par la chaleur résiduelle déjà produite au cours du processus. Les entreprises qui mettent systématiquement en œuvre la récupération de chaleur réduisent leur consommation d’énergie primaire et leurs émissions de CO₂ sans compromettre la qualité des produits ni la sécurité d’approvisionnement.
Aperçu des technologies pertinentes :
Les systèmes à récupération, les systèmes régénératifs et les concepts à cycle combiné constituent les trois principales méthodes de récupération de chaleur. Le choix dépend du niveau de température, de la structure du procédé et du budget d'investissement disponible.
La récupération de chaleur par récupération transfère la chaleur en continu à travers une paroi, généralement dans un échangeur de chaleur à plaques. Des rendements d’échange thermique pouvant atteindre 90 % peuvent être obtenus dans des conditions de fonctionnement optimales. Les systèmes régénératifs stockent la chaleur dans une masse thermique avec un décalage temporel et la restituent ultérieurement ; les rendements d’échange thermique typiques varient entre 60 et 85 %, selon la configuration.
Pour les procédés de production en continu présentant des niveaux de température stables, la variante à récupération est généralement préférable. Les systèmes régénératifs sont particulièrement adaptés lorsque la source de chaleur et le puits de chaleur interviennent à des moments différents, comme c’est le cas dans les procédés discontinus de la production alimentaire.
Un système à cycle combiné intègre un refroidisseur, une pompe à chaleur industrielle et un système de commande numérique au sein d’un cycle énergétique fermé. Les usines agroalimentaires bénéficient ici d’un avantage structurel : les besoins en refroidissement et en chauffage surviennent simultanément lors de la production, du nettoyage en place (CIP), de la pasteurisation et du stockage. Cela permet une conception particulièrement efficace du système. À titre indicatif, un coefficient de récupération de chaleur supérieur à 60 % est caractéristique des systèmes intégrés bien conçus ; les valeurs réelles dépendent du niveau de température, des heures de fonctionnement et de la conception du système.
Les pompes à chaleur industrielles élèvent la chaleur résiduelle à un niveau de température utilisable. Les pompes à chaleur modernes à haute température basées sur la technologie Thermeco₂, utilisant le CO₂ en fonctionnement transcritique, atteignent des températures de départ allant jusqu’à 120 °C ; dans certaines configurations, en fonction du niveau de pression et de la configuration en cascade, des températures pouvant atteindre 150 °C peuvent être obtenues. Cela est suffisant pour la vapeur de procédé, la pasteurisation et les processus de stérilisation exigeants.
Le coefficient de performance (COP) dépend largement de l’écart de température : avec un écart de 20 kelvins, on peut atteindre des valeurs de COP comprises entre 5 et 6 ; à 40 kelvins, le COP chute à 4–5. Un COP élevé ne constitue pas à lui seul un critère de décision suffisant : si la valeur TEWI (impact total équivalent de réchauffement) est dominée par un facteur d’émission élevé du mix électrique, un système présentant un COP plus faible et utilisant de l’électricité issue d’énergies renouvelables peut s’avérer plus performant en termes d’impact climatique. Les configurations en cascade de plusieurs pompes à chaleur peuvent s’avérer plus rentables qu’une seule unité plus puissante lorsque des niveaux de température plus élevés sont requis.
| Système | Coefficient de performance type/JAZ | Température de départ | Applications typiques |
|---|---|---|---|
| Échangeur de chaleur à plaques | jusqu’à 90 % | 30 - 70 °C | Chaleur industrielle, eau chaude |
| Récupérateur | 60 à 85 % | 40 - 80 °C | Ventilation, séchage |
| Pompe à chaleur industrielle | JAZ 3,0 - 5,5 | jusqu’à 150 °C | Vapeur industrielle, chauffage, stérilisation |
| MVR (recompression mécanique de la vapeur) | Économie d'énergie d'environ 50 % par rapport aux systèmes conventionnels | En fonction de la pression de la vapeur |
Procédés à haute température > 150 °C |
Le plus grand potentiel d’économies réside dans la chaleur de condensation des systèmes de réfrigération, l’air évacué des séchoirs et des systèmes de blanchiment, ainsi que la chaleur perdue des compresseurs des systèmes d’air comprimé. Des systèmes de récupération de chaleur bien conçus couvrent 20 à 50 % des besoins en énergie thermique d’exploitation à partir de ces sources.
Quatre facteurs freinent l’exploitation de la chaleur perdue : un manque de transparence concernant les flux d’énergie, une conception inadéquate des systèmes, l’incertitude liée aux investissements et l’incapacité des machines existantes à fonctionner à charge partielle. Les compresseurs d’air comprimé, largement utilisés dans les usines agroalimentaires, émettent des quantités importantes de chaleur. Cette chaleur perdue peut être valorisée avec relativement peu d’efforts grâce à des échangeurs de chaleur, à des fins de chauffage ou de production d’eau chaude.
Le projet de recherche « Food-Pinch » mené à l’université RWTH d’Aix-la-Chapelle, en collaboration avec des partenaires industriels tels que MAGGI Werk Singen, Nestlé Wagner et Stockmeyer, développe une solution d’intégration thermique dynamique destinée à l’industrie agroalimentaire et, grâce à des démonstrateurs, met en évidence des économies potentielles de l’ordre de 15 à 25 %, voire supérieures dans certaines applications.
Trois leviers, classés par ordre d’impact :
L’optimisation isolée de composants individuels ne suffit pas pour atteindre ces niveaux d’économies ; l’intégration du système est une condition préalable.
Les fluides frigorigènes, les pompes à chaleur et les systèmes de commande numériques constituent la base technologique de la récupération de chaleur. C’est leur interaction qui détermine les potentiels d’économies pouvant réellement être réalisés.
Le choix des fluides frigorigènes s'effectue en tenant compte des exigences techniques, de sécurité et réglementaires. Les valeurs de PRG et de TEWI peuvent servir de critères d'évaluation. Selon l'application, on peut envisager le NH₃, le CO₂, les hydrocarbures ou des fluides frigorigènes HFO tels que le R-1234ze. Le NH₃ a un GWP de 0, le CO₂ un GWP de 1, le R290 un GWP de 3 et le R410A un GWP de 2,088. En raison du durcissement de la réglementation européenne sur les gaz fluorés, les fluides frigorigènes tels que le NH₃ et le CO₂ constituent un choix pérenne pour de nombreuses nouvelles installations et réduisent considérablement les risques réglementaires.
La valeur TEWI évalue également les émissions indirectes résultant de la consommation électrique du système, offrant ainsi une base d’évaluation plus globale que la seule valeur du PRG. En tant que solution transitoire pour les applications où les fluides frigorigènes ne peuvent pas être utilisés pour des raisons de sécurité, les fluides frigorigènes HFO tels que le R-1234ze (PRG < 1) constituent une alternative conforme à la réglementation.
Il convient toutefois de noter que les exigences de sécurité conformes à la norme DIN EN 378-1 et les conditions d’installation varient considérablement en fonction du fluide frigorigène. Le R-290 (groupe de sécurité A3) impose des exigences élevées en matière de détection des fuites et de technologie de sécurité.
La distribution d’énergie en fonction de la demande pendant le fonctionnement nécessite des stratégies de régulation numériques. Les systèmes de surveillance pour la détection des fuites constituent également une condition préalable au respect du règlement (UE) 2024/573 sur les gaz fluorés. Les réservoirs tampons compensent les fluctuations temporelles de la production de chaleur résiduelle et de la demande de chaleur, par exemple dans les procédés par lots.
Dans la production alimentaire, une défaillance de l’alimentation en froid ou en chaleur entraîne directement des pertes de production. Des systèmes de récupération de chaleur bien conçus pallient ce risque grâce à des mesures de redondance intégrées : des modules d’échangeurs de chaleur isolables permettent d’effectuer la maintenance pendant que le système fonctionne, la technologie à double pompe assure le transfert de chaleur même en cas de défaillance d’une pompe, et la protection antigel automatique prévient les dommages en cas de basses températures extérieures.
Dans le secteur de la grande distribution alimentaire, les systèmes mixtes au CO₂ constituent la norme établie en matière de technologie de réfrigération à haute efficacité énergétique. Les systèmes bien conçus utilisent directement la chaleur de condensation pour le chauffage des locaux et la production d’eau chaude sanitaire, ce qui rend tout chauffage supplémentaire superflu. Les mini-boosters au CO₂ (généralement destinés aux magasins d’une superficie maximale d’environ 800 m²) et les micro-boosters au CO₂ (pour les petits commerces de moins de 400 m²) constituent des solutions compactes intégrant une récupération de chaleur. Les systèmes VRV (Volume de réfrigérant variable) avec récupération de chaleur intégrée permettent un fonctionnement simultané en chauffage et en refroidissement et réduisent la consommation énergétique globale par rapport à des systèmes séparés.
La chaleur résiduelle issue des usines agroalimentaires et des centres de données (températures de départ comprises entre 25 et 45 °C) peut être réchauffée à une température utilisable à l’aide de pompes à chaleur, puis injectée dans les réseaux de chauffage urbain. En été, le refroidissement par absorption offre une application supplémentaire : la chaleur résiduelle alimente le processus de refroidissement sans consommer d’électricité supplémentaire. Des projets de référence à Hambourg et à Berlin (Chancellerie fédérale) démontrent la faisabilité pratique de la valorisation de la chaleur résiduelle urbaine.
Le rendement d’échange ou de récupération thermique des systèmes de récupération de chaleur décrit la proportion de la chaleur résiduelle théoriquement disponible qui est effectivement exploitée. Dans de bonnes conditions de fonctionnement, les systèmes modernes peuvent atteindre des coefficients de récupération thermique supérieurs à 90 %, bien que la performance globale dépende largement de l’échangeur de chaleur, du système de régulation et de l’intégration du stockage. Lors de la conception de tels systèmes, il convient de prendre en compte, outre le COP et le JAZ, des indicateurs de performance clés relatifs à la récupération de chaleur effectivement utilisable.
Les pompes à chaleur industrielles atteignent des valeurs JAZ comprises entre 3,0 et 5,5 : 1 kWh d’électricité génère jusqu’à 5,5 kWh de chaleur utile. Les délais de rentabilité sont généralement de 4 à 8 ans pour les nouvelles installations et de 2 à 5 ans pour la modernisation de systèmes existants, en fonction des prix de l’énergie et des heures de fonctionnement. Le modèle de contrat de performance offre une alternative d’investissement ne nécessitant aucun apport en fonds propres : le prestataire se charge de l’installation, de l’exploitation et du financement, le retour sur investissement provenant des économies réalisées sur les coûts énergétiques. Les exigences en matière de communication environnementale, sociale et de gouvernance (ESG) et de responsabilité sociale des entreprises (RSE) renforcent encore la pression stratégique en faveur de l’investissement, en plus de l’argument du coût.
| Technologie | Taille de l’installation | Niveau de température | Budget d’investisse-ment | Point d’entrée recommandé |
|---|---|---|---|---|
| Échangeur de chaleur à plaques (récupératif) | Petite à moyenne | 30 - 70 °C | Faible | Intégration dans les systèmes existants, retour sur investissement rapide |
| Système à circuit combiné | Moyens à grands | 40 - 90 °C | Moyen | Nouvelle installation ou modernisation complète |
| Pompe à chaleur industrielle (par ex. thermeco2) | Moyenne à grande | 70 - 150 °C | Moyenne à élevée | Vapeur industrielle, pasteurisation, stérilisation |
| Mini/micro-booster au CO₂ | Petit (usage commer-cial) | 30 - 60 °C | Faible à moyen | Supermarché, petite entreprise avec récupération de chaleur |
| MVR (compression mécanique de vapeur) | Grand | > 150 °C | Élevé | Procédés à haute température, opérations à grande échelle |
Pour les petites et moyennes entreprises agroalimentaires qui intègrent des pompes à chaleur ou des systèmes de récupération de chaleur dans des bâtiments existants, le programme BAFA / BEG EM (Aide fédérale pour des bâtiments efficaces, mesures individuelles) constitue la voie la plus directe. Les exploitations à grande échelle présentant un potentiel de chaleur résiduelle et raccordées à un réseau de chauffage urbain tirent davantage profit du programme BEW (Aide fédérale pour des réseaux de chauffage urbain efficaces). Les sites de production cherchant à améliorer l’efficacité énergétique de leurs processus devraient envisager le programme de financement KfW 295 (Efficacité énergétique dans la production). Des programmes régionaux complémentaires en Bavière, en Rhénanie-du-Nord-Westphalie et dans le Bade-Wurtemberg offrent des subventions supplémentaires, notamment pour les mesures d’efficacité énergétique dans le secteur industriel. L’éligibilité dépend du type de système, du fluide frigorigène, de la classe d’efficacité énergétique et de l’utilisation prévue ; il est conseillé de consulter des conseillers en financement dès le début du projet avant de déposer une demande.
Le règlement (UE) 2024/573 relatif aux gaz fluorés renforce la réduction progressive des gaz à effet de serre fluorés et, à partir de 2025, interdit l’utilisation des HFC dont le PRG est supérieur à 150 dans certaines applications, notamment les nouveaux systèmes de réfrigération des supermarchés. Les systèmes existants ne font pas l’objet, dans un premier temps, d’une interdiction d’exploitation ; toutefois, leur entretien et leur recharge sont soumis à des exigences plus strictes. Pour les exploitants présentant une consommation d’énergie élevée, la loi sur l’efficacité énergétique (EnEfG) s’applique également : à partir de seuils de consommation définis, il existe une obligation de valorisation de la chaleur résiduelle, dont la mise en œuvre doit être documentée et vérifiée.
| Cadre réglementaire | Champ d’application | Date limite / Seuil | Mesures requises |
|---|---|---|---|
| Règlement (UE) 2024/573 relatif aux gaz fluorés | Nouveaux systèmes utilisant des HFC dont le PRG est supérieur à 150 | À partir de 2025 (nouveaux systèmes de réfrigération des supermarchés) | Changement de fluide frigorigène pour les nouveaux projets |
| Loi sur l'efficacité énergétique (obligation de valoriser la chaleur résiduelle) | Entreprises dont la consommation finale d'énergie est supérieure ou égale à 2,5 GWh/an | Mise en œuvre progressive à partir de 2025 | Registre de la chaleur résiduelle, plan de valorisation |
| DIN EN 378-1 | Tous les systèmes de réfrigération et toutes les pompes à chaleur | En cours | Contrôle de sécurité, conditions d’installation |
| Directive européenne sur l'écoconception | Refroidisseurs (SEPR-MT comme indicateur de performance) | En cours | Classes d'efficacité minimales pour les nouveaux achats |
| ChemRRV (Suisse) | Réfrigérants synthétiques | Exigences plus strictes à partir de janvier 2025 | Choix des fluides frigorigènes pour les sites en Suisse |
| VDI 2071 | Récupération de chaleur dans les systèmes de ventilation et de climatisation | En cours | Base de conception pour les systèmes de ventilation |
Réglementation sur les PFAS : une procédure de restriction à l'échelle de l'UE concernant les substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS) est actuellement en cours ; les fluides frigorigènes synthétiques à base de PFAS pourraient être concernés à moyen terme.
L'intégration dans des bâtiments existants nécessite une approche structurée afin de minimiser les temps d'arrêt de production :
Le passage d’un approvisionnement en vapeur à un approvisionnement en eau chaude (inférieure à 100 °C) peut, à titre de mesure préparatoire, augmenter le COP de la pompe à chaleur en aval et simplifier la conception du système.
Groupe Osatina (Croatie) : les grandes serres étaient auparavant chauffées au gaz. Plusieurs pompes à chaleur haute température thermeco₂ avec des températures de départ pouvant atteindre 90 °C ont entièrement remplacé l’approvisionnement en chaleur issu des combustibles fossiles. La décarbonisation du site de production a ainsi été réalisée dans des conditions de processus exigeantes. Les chiffres d’exploitation spécifiques au projet, tels que le JAZ et les kWh économisés par an, sont disponibles sur demande auprès d’ENGIE Refrigeration.
Système de chauffage hybride : une installation existante dotée d’un système de chauffage inefficace a été modernisée en intégrant le refroidissement et le chauffage dans un système hybride (capable de fonctionner en mode monovalent/bivalent, avec des températures de départ allant jusqu’à 90 °C). La modernisation des installations existantes s’avère être une voie d’entrée économiquement intéressante, avec des délais de rentabilité pouvant être nettement plus courts que ceux des nouvelles installations. Les défis liés à l’intégration concernaient notamment la séparation des circuits conforme aux normes HACCP et l’adaptation de la technologie de régulation au fonctionnement mixte.
Les fabricants d’équipements purs fournissent des composants, tandis que les fournisseurs d’énergie fournissent l’énergie. Ni le fabricant ni le fournisseur n’assument la responsabilité de l’ensemble du système ni ne garantissent des économies. ENGIE Refrigeration combine les deux : la technologie de réfrigération, les pompes à chaleur industrielles, la récupération de chaleur, l’électricité issue d’énergies renouvelables et le financement sont tous fournis par un seul et même prestataire, le tout complété par une expertise sectorielle adaptée à l’industrie agroalimentaire.
Le modèle de contrat transfère entièrement l’installation, l’exploitation et le financement à ENGIE Refrigeration. Les économies garanties contractuellement éliminent le risque d’investissement pour l’exploitant ; l’investissement est amorti grâce aux économies réalisées sur les coûts énergétiques. La maintenance intelligente et la surveillance continue garantissent l’efficacité pendant le fonctionnement continu.
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