La Chine a allumé le premier rival de la vapeur en 140 ans

Points clés à retenir

• Le roi de 140 ans a un challenger : les turbines à vapeur fournissent 80 % de l’électricité mondiale depuis 1884. La Chine vient de déployer la première machine commerciale conçue pour les remplacer.
• 10x plus petite, 10 % plus efficace : les turbines à CO₂ supercritique (sCO₂) atteignent environ 50 % d’efficacité thermique dans un boîtier dix fois plus petit qu’un système à vapeur équivalent.
• Les États-Unis l’ont inventé. La Chine l’a construit en premier. : Le ministère de l’Énergie a consacré des décennies et 169 millions de dollars à la recherche sur le sCO₂. La société chinoise CNNC a branché une unité commerciale de 30 mégawatts sur le réseau alors que la centrale pilote américaine produisait encore ses 4 premiers mégawatts.
• Le Wildcard militaire : Une turbine 10 fois plus petite que la vapeur n’est pas seulement un outil industriel. Il s’agit d’une technologie de propulsion sous-marine, porte-avions et navale, et la Chine y mène déjà des recherches.

La machine qui dirige le monde

La production d’électricité à partir de vapeur produit 80 % de l’électricité mondiale. Relisez-le. Quatre watts sur cinq pour l’éclairage des maisons, le fonctionnement des usines et le chargement des téléphones proviennent d’une technologie fondamentale qui n’a pas changé en principe depuis que Charles Parsons a boulonné sa première turbine à réaction à plusieurs étages à une dynamo en 1884.

La machine originale de Parsons générait 7,5 kilowatts. Ses descendants modernes produisent 50 000 kilowatts et plus. Mais la physique sous-jacente (faire bouillir de l’eau, faire tourner des pales, condenser, répéter) reste fondamentalement identique. Le cycle de Rankine, comme l’appellent les ingénieurs, est le champion incontesté de la conversion d’énergie thermique depuis 142 ans. Les centrales nucléaires l’utilisent. Les centrales à cycle combiné au gaz l’utilisent. Les centrales à charbon l’utilisent. Les centrales solaires concentrées l’utilisent. Les centrales géothermiques l’utilisent.

Le 20 décembre 2025, dans une usine sidérurgique de Liupanshui, dans la province du Guizhou, en Chine, une machine appelée Chaotan One a été connectée au réseau. Il ne fait pas bouillir l’eau. Il n’utilise pas de vapeur. Il comprime le dioxyde de carbone au-delà de son point critique (31 °C et 7,37 mégapascals) en un fluide supercritique qui n’est ni gazeux ni liquide, et le fait passer par un cycle de Brayton fermé pour produire de l’électricité à partir de la chaleur résiduelle de l’aciérie.

Il s’agit du premier générateur d’électricité commercial au CO₂ supercritique. Sa turbomachine centrale ne représente qu’une fraction de la taille des systèmes à vapeur à l’échelle cathédrale qu’elle est conçue pour remplacer.

La physique : pourquoi le CO₂ bat la vapeur

L’avantage du dioxyde de carbone supercritique (sCO₂) par rapport à la vapeur réside dans sa densité et sa compressibilité.

Lorsque le CO₂ est maintenu au-dessus de sa température et de sa pression critiques, il se comporte comme un fluide avec la densité d’un liquide mais les caractéristiques d’écoulement d’un gaz. De petits changements de température et de pression produisent de grands changements de densité énergétique. Le résultat pratique est qu’une turbine sCO₂ extrait plus d’énergie par unité de fluide qu’une turbine à vapeur, en utilisant considérablement moins d’équipement pour le faire.

Jeff Moore, ingénieur au Southwest Research Institute (SwRI) à San Antonio, l’a dit sans ambages : la turbine sCO₂ dans son ensemble mesure « environ un dixième de la taille d’une centrale produisant la même quantité d’électricité ». Une turbine à vapeur nécessite généralement 10 à 15 étages de rotor. Une turbine sCO₂ en a besoin de quatre.

Richard Dennis du National Energy Technology Laboratory (NETL) a décrit un prototype d’arbre de rotor de turbine : « 4 pouces de diamètre, 4 pieds de long et pourrait alimenter 1 000 foyers ».

Les gains d’efficacité sont significatifs mais pas magiques. Les tests de SwRI montrent que les cycles sCO₂ fonctionnent environ 10 % plus efficacement que les centrales à vapeur traditionnelles, approchant l’efficacité thermique de 50 %. Pour rappel, la plupart des turbines à vapeur conventionnelles fonctionnent avec un rendement de 35 à 40 %. L’amélioration vient des propriétés thermiques du cycle de Brayton fonctionnant près du point critique, où le travail du compresseur diminue fortement car le CO₂ supercritique est si dense qu’il faut beaucoup moins d’énergie pour se comprimer que la vapeur.

Le fluide de travail lui-même est également plus pratique. Le CO₂ est bon marché, non toxique, facilement disponible et moins corrosif que la vapeur à haute température. Transformer le CO₂ en son état supercritique nécessite moins d’énergie que convertir l’eau en vapeur.

$\eta_{\text{Brayton}} = 1 - \frac{1}{r_p^{(\gamma-1)/\gamma}} \quad \text{vs.} \quad \eta_{\text{Rankine}} \approx 35\text{-}40\%$

L’efficacité idéale du cycle de Brayton dépend du rapport de pression ($r_p$) et du rapport de capacité thermique ($\gamma$) du fluide de travail. Près du point critique, la densité du CO₂ réduit considérablement le travail du compresseur, poussant l’efficacité du cycle réel vers 50 %. Les véritables usines de sCO₂ ajoutent des récupérateurs pour récupérer la chaleur des gaz d’échappement et des étapes de recompression pour minimiser les pertes, mais la direction est claire : plus d’énergie dépensée, moins d’équipement entrant, une empreinte au sol réduite.

Chaotan One : ce que la Chine a réellement construit

L’Institut chinois de l’énergie nucléaire (NPIC), une filiale de la China National Nuclear Corporation (CNNC), a passé plus d’une décennie à développer cette technologie. En 2019, NPIC a atteint une génération stable et à pleine puissance de sCO₂ en laboratoire. Six ans plus tard, Chaotan One est devenu commercial.

Le cahier des charges :

CNNC affirme que Chaotan One offre une efficacité de production supérieure de plus de 85 % et une production nette d’électricité supérieure de plus de 50 % par rapport aux systèmes conventionnels de récupération de vapeur de chaleur résiduelle, tout en réduisant de moitié l’empreinte physique du site.

La distinction entre « efficacité de production » et « efficacité thermique » est ici importante. Chaotan One n’est pas une centrale électrique primaire. Il s’agit d’un système de récupération de chaleur perdue boulonné sur une aciérie, capturant la chaleur qui autrement serait évacuée dans l’atmosphère. L’amélioration de 85 % est relative aux systèmes conventionnels à cycle de Rankine organique (ORC) et aux systèmes de chaleur résiduelle à base de vapeur, et non à une comparaison avec un cycle combiné de turbine à gaz à grande échelle. Mais pour la récupération de la chaleur perdue, le progrès est considérable.

CNNC ne s’arrête pas aux aciéries. En 2024, la société a lancé un projet de démonstration « Stockage d’énergie aux sels fondus + production d’électricité au CO₂ supercritique », sélectionné pour le cinquième lot d’équipements énergétiques majeurs et inédits en Chine, dont l’achèvement est prévu d’ici 2028.

L’approche américaine : $169 millions et ce n’est pas fini

Les États-Unis ont identifié le sCO₂ comme une technologie de pointe stratégique en 2017. Le MIT Technology Review l’a nommé l’une de ses « 10 meilleures technologies révolutionnaires » en 2018. Le ministère de l’Énergie a investi de l’argent dans le projet de démonstration d’énergie électrique transformationnelle supercritique (STEP), une usine pilote de 10 mégawatts de 169 millions de dollars au Southwest Research Institute à San Antonio, au Texas.

Le 7 octobre 2024, STEP a terminé les tests de phase 1. La turbine a atteint sa pleine vitesse de fonctionnement à 27 000 tr/min, fonctionnant à 500°C et 250 bars, et a généré 4 mégawatts de puissance synchronisée avec le réseau dans une configuration à cycle simple.

La phase 2, qui devrait débuter en 2025, reconfigurera la centrale vers un cycle de Brayton à recompression (RCBC) et augmentera la température d’entrée de la turbine à 715°C, une étape importante vers les rendements plus élevés nécessaires à la production d’énergie primaire à partir de réacteurs nucléaires et d’énergie solaire concentrée.

Le contraste avec la Chine est saisissant. Les États-Unis ont dépensé 169 millions de dollars pour générer 4 mégawatts dans une configuration pilote. La Chine a déployé commercialement 30 mégawatts. Mais la comparaison est trompeuse si elle est prise au pied de la lettre. STEP poursuit un objectif plus ambitieux : le fonctionnement du cycle d’alimentation primaire à 715°C pour les applications nucléaires et solaires thermiques. Chaotan One récupère la chaleur perdue à des températures plus basses provenant d’une aciérie. La Chine a remporté la première course. Les États-Unis s’entraînent pour le plus dur.

Le manuel de jeu solaire, répété

Le modèle est indubitable.

Dans les années 1950, les Bell Labs ont inventé la cellule solaire moderne en silicium. Les chercheurs américains ont dominé la science photovoltaïque pendant des décennies. En 2010, la Chine avait pris le contrôle de la fabrication mondiale de panneaux solaires. En 2025, la Chine produit plus de panneaux solaires que le reste du monde réuni, même si aucune des technologies sous-jacentes n’y a été découverte.

La sCO₂ suit la même trajectoire. Le concept date des ingénieurs italiens et américains de la fin des années 1960. Les Sandia National Laboratories mènent des programmes de recherche sur le sCO₂ depuis au moins le début des années 2000. La science fondamentale est majoritairement américaine. Le premier déploiement commercial est chinois.

Michael Barnard de CleanTechnica observe que l’approche chinoise, « traverser la rivière en cherchant des pierres », produit « un apprentissage précieux, mais elle produit également de nombreuses impasses ». La Chine déploie des technologies expérimentales à grande échelle, collecte des données réelles sur la dégradation et itère. Les États-Unis valident les composants dans les laboratoires nationaux avant de les commercialiser.

Dans le domaine solaire, le déploiement en premier a gagné de manière décisive. Leur victoire dépend de la capacité des systèmes sCO₂ à survivre aux conséquences d’un fonctionnement industriel continu.

La bombe de second ordre : la compacité militaire

Si une turbine est 10 fois plus petite que son équivalent à vapeur, les implications s’étendent bien au-delà des aciéries.

Les sous-marins nucléaires et les porte-avions utilisent actuellement des cycles Rankine à vapeur pour convertir la chaleur du réacteur en propulsion et en énergie électrique. Ces systèmes à vapeur sont massifs, complexes et nécessitent d’énormes volumes d’espace sur les navires. Un cycle Brayton sCO₂ produisant la même puissance dans un dixième du volume remodèlerait fondamentalement l’architecture navale.

Les chercheurs ont déjà publié des conceptions de systèmes sCO₂ intégrés à énergie nucléaire pour porte-avions, remplaçant le cycle Rankine à vapeur conventionnel en boucle secondaire par un cycle électrique régénératif sCO₂. De petites conceptions de réacteurs modulaires utilisant des réacteurs à sels fondus associés à des cycles Brayton au sCO₂ sont en cours d’évaluation spécifiquement pour la propulsion des navires, avec une efficacité thermique de cycle projetée allant jusqu’à 50 %.

L’organisation qui a construit Chaotan One, CNNC, est la société nucléaire d’État chinoise, étroitement liée aux programmes de propulsion navale. La démonstration de récupération de chaleur perdue dans une aciérie en est la démonstration visible. Le projet de démonstration sels fondus + sCO₂ visé pour 2028 s’inscrit directement sur la voie des réacteurs navals compacts et à haut rendement.

Le ministère américain de la Défense le sait. Les partenaires du programme STEP du DOE incluent GE Vernova, dont la société mère construit des systèmes de propulsion pour la marine américaine. Mais l’horloge tourne. La Chine génère des données opérationnelles réelles sur les systèmes sCO₂ tandis que le programme américain est encore en train de passer de 4 mégawatts.

Le cas du sceptique : 80 ans de « presque prêt »

Pas si vite.

Les cycles d’alimentation au sCO₂ sont proposés depuis 1946. Quatre-vingts ans de « presque prêt » devraient faire réfléchir quiconque. Les avantages de la technologie sont réels, mais ses modes de défaillance le sont aussi, et ils ne sont pas simples.

Barnard identifie cinq mécanismes de dégradation qui se chevauchent :

1. Carburation par échangeur de chaleur : le CO₂ à haute température provoque la formation de carbure et la fragilisation des composants en acier.
2. Dégradation des joints : Le CO₂ supercritique se dissout dans les matériaux des joints sous pression, provoquant des fuites progressives qui se manifestent par une perte d’efficacité plutôt que par une défaillance évidente.
3. Corrosion due aux impuretés : La contamination par l’eau, l’oxygène ou le soufre provoque des piqûres au niveau des joints.
4. Échec de la liaison par diffusion : Les échangeurs de chaleur à circuit imprimé (PCHE) compacts qui rendent les systèmes sCO₂ petits sont également leur maillon le plus faible. Une fois les interfaces collées se dégrader, l’unité entière doit être remplacée.
5. Encrassement provenant de sources industrielles : Les gaz d’échappement des aciéries contiennent des particules, des oxydes métalliques et des composés soufrés qui réduisent le transfert de chaleur au fil du temps.

Barnard estime une probabilité de 40 à 70 % de dégradation significative de l’échangeur de chaleur d’ici 2 à 5 ans pour les déploiements chinois, et une probabilité de 60 à 85 % de problèmes d’encrassement spécifiquement pour les applications dans les aciéries.

La littérature académique confirme les défis. Les systèmes sCO₂ fonctionnant à proximité du point critique sont sensibles aux petits écarts, nécessitant des stratégies de contrôle rapides et précises pour éviter l’instabilité du débit. À haute température, le CO₂ devient des matériaux fortement corrosifs et exigeants, capables de résister à l’environnement pendant des décennies.

Comme l’affirme Barnard : « Un système qui démarre à 15 MW et délivre 13 MW après plusieurs années avec des coûts de maintenance croissants n’est pas une avancée majeure. Il s’agit d’un moyen coûteux de récupérer la chaleur perdue par rapport aux alternatives matures à base de vapeur. »

La zone grise : déployer et apprendre ou valider puis déployer

Les deux approches sont rationnelles.

Le pari de la Chine est que les données opérationnelles réelles, y compris les données sur la dégradation, valent plus que n’importe quelle simulation en laboratoire. Chaque heure de fonctionnement de Chaotan One, CNNC collecte des informations sur l’usure des joints, l’encrassement de l’échangeur thermique et le comportement du système de contrôle qu’aucun banc d’essai ne peut reproduire. Si le système se dégrade, ils apprennent comment il se dégrade, où il échoue et quoi réparer. Le coût de la leçon est d’une démo de 30 MW. L’avantage est une décennie d’avance sur la courbe d’apprentissage.

Le pari américain est qu’une validation minutieuse des composants produit un produit plus durable. L’approche méticuleuse du programme STEP (tests à 500°C avant de passer à 715°C, validation des matériaux lors d’essais de corrosion de longue durée dans des laboratoires nationaux) pourrait donner lieu à un système qui fonctionnera de manière fiable pendant 30 ans au lieu de 5. Mais il sacrifie la vitesse au profit de la durabilité. Et dans la course à l’énergie solaire, le pays qui a déployé des panneaux imparfaits a été le premier à apprendre le plus rapidement, à répéter le plus rapidement et à dominer le marché mondial pendant une génération.

Chaotan One pourrait se dégrader d’ici cinq ans, comme le suggère l’analyse de Barnard. Mais CNNC saura pourquoi, et la prochaine version sera meilleure. Parallèlement, le programme STEP vise un objectif fondamentalement plus ambitieux (cycle d’alimentation primaire à 715°C pour les réacteurs nucléaires) qui pourrait produire des résultats transformateurs si la science des matériaux tient le coup. La question n’est pas de savoir quelle approche est « bonne ». La question est de savoir quelle approche produira en premier lieu une domination commerciale.

Ce qui vient ensuite

Si le sCO₂ fonctionne à grande échelle, les implications ne se limitent pas à la récupération de la chaleur résiduelle ou même à la propulsion navale. Chaque centrale thermique sur Terre (nucléaire, gaz, charbon, géothermie, solaire à concentration) pourrait théoriquement troquer son cycle vapeur contre un cycle sCO₂ 10 % plus efficace et 90 % plus petit.

Cela représente 80 % de la production mondiale d’électricité grâce à une technologie de 1884 qui pourrait être améliorée.

La turbine à vapeur n’est pas morte. Elle alimente la civilisation depuis 142 ans et ne disparaîtra pas du jour au lendemain. Mais pour la première fois depuis 1884, il a un rival commercial crédible, et le pays qui l’a construit n’est pas celui qui l’a inventé.

La Chine a pris la technologie des cellules solaires inventée par les États-Unis et en a fait un monopole de fabrication en une décennie. La question est maintenant de savoir si le CO₂ supercritique suit le même chemin ou si l’approche américaine de validation des patients produit quelque chose que la stratégie chinoise de déploiement d’abord ne peut égaler.

Chaotan One est en marche. L’horloge a commencé.