Petits systèmes, grands avantages

30 March 2022 par Corinna Barnstedt
Petits systèmes, grands avantages

La hausse du prix du gaz et du coût du carbone stimule la demande de récupération de la chaleur résiduelle. ETEKINA a conçu trois échangeurs de chaleur résiduelle à caloducs. Ils ont installé une puissance de plus d'un mégawatt. Les unités à l'échelle du laboratoire sont très évolutives et joueront un rôle déterminant dans le développement futur d'autres installations de récupération de chaleur. Elles peuvent également être utilisées pour s'assurer que le système final n'aura pas d'impact sur les processus de fabrication existants d'une installation. Ces unités donnent un aperçu très important du fonctionnement d'un système et de sa contrôlabilité. Et, fait réjouissant, les ingénieurs ont constaté que de grandes quantités d'eau de condensation étaient créées et qu'elles pouvaient être récupérées pour réduire davantage la consommation d'énergie et augmenter les rendements énergétiques.


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Comment les échangeurs de chaleur à caloducs conçus par les partenaires d'ETEKINA façonnent les systèmes de récupération de chaleur résiduelle du futur.

Au début du mois de février de cette année, le coût du carbone a atteint des sommets avec des chiffres pour une tonne d'émissions de dioxyde de carbone avoisinant les 95 €. Depuis, la pénalité de pollution fixée par les systèmes d'échange de quotas d'émission de l'Union européenne a diminué, mais les coûts du carbone restent supérieurs de plusieurs dizaines d'euros aux prix d'échange précédents, à un moment où les prix du gaz naturel sont également très élevés.

Les conséquences pour les projets de récupération de la chaleur résiduelle, tels qu'ETEKINA, sont profondes. Comme le souligne Mark Boocock, directeur général d'Econotherm, Royaume-Uni : "La hausse des prix du gaz et des coûts du carbone stimule considérablement la demande de récupération de la chaleur résiduelle, dans le monde entier."

 

"Les projets énergétiques qui avaient du mal à être approuvés par le passé sont aujourd'hui menés à bien et nous constatons également que de nombreuses entreprises accordent une plus grande importance à la gouvernance environnementale", ajoute-t-il. "Nous avons vu de nombreuses entreprises mondiales mettre en œuvre la récupération de la chaleur résiduelle dans des installations existantes tout en l'imposant dans de nouvelles installations - c'est une excellente période pour des projets tels qu'ETEKINA."

 

Boocock a été impliqué dans ETEKINA dès le début, en travaillant en étroite collaboration avec le coordinateur scientifique du projet, le professeur Hussam Jouhara, de l'université Brunel de Londres. M. Jouhara a dirigé la conception des trois systèmes de récupération de la chaleur perdue par caloducs. Boocock et ses collègues d'Econotherm ont fabriqué et installé les systèmes sur la ligne de production d'alliages d'aluminium de Fagor Ederlan en Espagne, à l'aciérie SIJ Metal Ravne en Slovénie et dans l'usine de production de céramique Atlas Concorde en Italie.

 

Jouhara et Boocock sont tous deux ravis des résultats du projet. L'objectif initial d'ETEKINA était de récupérer 40 % de la chaleur perdue dans les flux d'échappement de chaque installation. Quatre ans plus tard, tous les sites ont dépassé cet objectif. "Avec les trois systèmes de caloducs, nous avons installé plus d'un mégawatt de puissance", souligne Jouhara. "Suite à notre succès, nous passons maintenant le relais à Econotherm, qui pourra reproduire ces systèmes dans le monde entier."

Des unités à l'échelle du laboratoire

Une partie essentielle du projet ETEKINA consistait à développer trois unités d'échangeurs de chaleur à caloducs (HPHE) à l'échelle du laboratoire à Brunel, afin de valider les modèles de HPHE et de servir de bancs d'essai pour les unités grandeur nature qui seraient installées sur les trois sites en Espagne, Slovénie et Italie. Selon Jouhara, ses collègues et lui ont conçu des modèles thermiques généraux pour les échangeurs de chaleur, tout en effectuant une modélisation supplémentaire pour optimiser les conceptions complexes des unités. Ces modèles ont été testés sur les unités à l'échelle du laboratoire.

Par exemple, la dynamique des fluides numérique a été utilisée pour modéliser l'écoulement des gaz d'échappement dans l'usine de production de céramique Atlas Concorde en Italie, et s'assurer que les particules lourdes restaient en suspension dans le gaz lorsqu'il traversait le système. "Si le flux de gaz devait stagner à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, ces particules lourdes pourraient se déposer, s'accumuler et finalement bloquer le système", explique Jouhara. "Nous avons donc développé des conceptions innovantes [pour éviter le dépôt de particules] et les avons testées dans le système à l'échelle du laboratoire."

 

Au cours de leurs premières modélisations et de leurs premiers tests, les ingénieurs se sont également rendu compte que même si ces particules restaient en suspension pendant l'écoulement des gaz, elles se fixaient aux parois des tuyaux lorsque la température de l'échappement descendait en dessous d'un certain niveau. Compte tenu de cela, ils ont ajouté des portes d'inspection faciles d'accès au système final afin que les particules puissent être retirées lors de la maintenance régulière.

 

"Nous avons pu valider cette conception [avec les portes] in-situ à l'Atlas Concorde, ce qui était extraordinaire", déclare Jouhara. "Les unités à l'échelle du laboratoire ont permis de repérer tout problème initial".

 

Jouhara et Boocock soulignent également que les unités de laboratoire sont hautement évolutives et qu'elles joueront un rôle déterminant dans le développement futur d'autres installations de récupération de chaleur dans le monde. De plus, elles peuvent être utilisées pour s'assurer que le système final n'aura pas d'impact sur les processus de fabrication existants d'une installation.

 

"La mise en œuvre d'un système de récupération de chaleur conventionnel, ou sans caloduc, peut apporter de nombreux avantages, mais il y a toujours le risque qu'il interfère avec la fabrication - tout gain sera rapidement perdu si une défaillance de l'échangeur de chaleur interrompt la production", explique Boocock. "Mais si vous regardez nos trois installations - celles-ci sont invisibles pour les processus de production mais ont eu un impact énorme sur la consommation d'énergie et l'efficacité."

D'autres façons d'utiliser la chaleur résiduelle

À l'avenir, les unités à l'échelle du laboratoire seront essentielles pour la conception des futurs systèmes HPHE. Comme le souligne Jouhara : "[Ces unités] peuvent nous donner un aperçu très important du fonctionnement d'un système et de sa contrôlabilité."

 

Et, chose réjouissante, Jouhara et Boocock mettent déjà en œuvre ces connaissances, et les nombreux enseignements tirés d'ETEKINA, dans d'autres projets. Dans l'usine de production de céramique d'Atlas Concorde, les ingénieurs ont remarqué que de grandes quantités d'eau de condensation étaient créées et ont réalisé qu'elles pouvaient être récupérées pour réduire davantage la consommation d'énergie et augmenter l'efficacité énergétique. Le projet financé par l'UE, Innovative Water recoverY Solutions through recycling of heat, materials and water across multiple sectors - iWAYS - a depuis été lancé pour développer des technologies basées sur les caloducs pour les processus industriels, afin de récupérer l'eau et la chaleur des flux d'échappement.

 

"Je considère ETEKINA comme le projet parent de iWAYS, et nous poussons maintenant nos technologies plus loin pour récupérer la chaleur latente et recycler l'eau des flux d'échappement chez Atlas Concorde et dans d'autres installations", déclare Jouhara. "Vous voyez donc que l'histoire de notre succès ne s'arrête pas aux produits que nous avons développés chez ETEKINA - nous les poussons maintenant à un niveau supérieur et nous apporterons des changements radicaux aux systèmes de récupération de la chaleur résiduelle du futur."