Comment la récupération de la chaleur résiduelle va changer les paysages

Chaque année, des industries de toute l'Europe laissent une précieuse source d'énergie thermique s'échapper tout simplement par leurs cheminées. Un projet financé par l'UE, appelé ETEKINA a réimaginé une technologie vieille de plusieurs décennies, les échangeurs thermiques à caloducs, qui permettent aux entreprises de réutiliser la chaleur qu'elles génèrent. Jusqu'à présent, trois sites ayant installé le prototype de cette technologie ont réduit leurs coûts de combustible de 40 % : une usine de production de fonte d'aluminium en Espagne (Fagor Ederlan), une aciérie en Slovénie (SIJ Metal Ravne) et un producteur de céramique en Italie (Atlas Concorde).

Hussam Jouhara, professeur d'ingénierie thermique à l'Université Brunel de Londres, est le coordinateur technique du projet et a partagé ses réflexions sur le projet avec l ESCI.

Interviewer : Professeur Jouhara, vous et l'équipe du projet ETEKINA avez trouvé un moyen d'ajouter un nouveau type d'échangeur de chaleur pour récupérer la chaleur d'un processus industriel et la réutiliser dans une autre partie de l'usine. Qu'est-ce qui est au cœur de cette technologie ?

Hussam Jouhara : Un caloduc est un supraconducteur thermique. La clé est que vous n'avez pas besoin de forcer un fluide à l'aide de pompes ou de canalisations entre la région chaude et la région froide pour faciliter le processus de transfert de chaleur. Le caloduc lui-même peut le faire de manière passive si vous lui permettez d'accéder au flux chaud et au flux froid dans les conditions de transfert de chaleur appropriées.

Lorsque l'on regarde le système de l'extérieur, il semble plutôt simple. Des tubes sont placés entre deux chambres, et ces tubes ne font qu'absorber la chaleur et la transmettre là où elle est nécessaire. Mais si vous regardez plus profondément à l'intérieur de chaque tube, vous avez une science très complexe. Il s'agit d'un transfert de chaleur biphasé : le liquide change de phase, passant de l'état liquide à l'état de vapeur, et transporte la chaleur latente pour l'acheminer vers la section du condenseur où la vapeur se condense, ce qui réchauffe le fluide chauffant.

Pouvez-vous donner quelques exemples sur les différents liquides que vous pouvez utiliser ou les différents matériaux ?

Dans le projet ETEKINA, nous avons utilisé deux fluides dans ces systèmes de caloducs. L'un des fluides est l'eau ultra-pure. Mais lorsque nous avons des applications à haute température, nous avons également des fluides qui peuvent être utilisés efficacement à l'intérieur de l'échangeur de chaleur lui-même pour que les caloducs fonctionnent en toute sécurité. Comme ces fluides sont confinés à l'intérieur du système, ils ne sont utilisés qu'en petite quantité.

Le projet ETEKINA a débuté il y a quatre ans. Quelle était votre intention pour ce projet ? Qu'est-ce qui vous a fait démarrer cette idée ?

L'idée de mettre sur pied le projet ETEKINA était de démontrer l'importance et le potentiel de la technologie des caloducs et la manière dont elle peut être utilisée pour récupérer la chaleur perdue de flux très difficiles que d'autres systèmes conventionnels ne parvenaient pas à récupérer et à réutiliser la chaleur récupérée dans l'usine elle-même. Cela permet ensuite de réduire l'empreinte carbone de l'usine, de réduire la demande d'énergie et d'améliorer l'efficacité énergétique de l'usine en général.

Je pense également qu'ETEKINA y contribue en améliorant l'efficacité de ces systèmes, en utilisant la bonne technologie qui facilitera cela. L'objectif d'ETEKINA était de récupérer 40 % de la chaleur disponible qui est perdue dans les flux d'échappement. Je suis heureux de dire qu'après quatre ans et l'installation des trois unités, le consortium a réussi à obtenir un minimum de 40 %.

Nous sommes même au-dessus de ce seuil dans les trois cas de démonstration. C'est un plaisir de l'annoncer, et c'est un succès pour l'ensemble du consortium.

L'autre intention était de fournir une conception d'échangeur de chaleur à caloducs à TRL élevé qui puisse être fournie directement à la communauté industrielle au sens large. En outre, les RDT impliqués dans ce projet ont développé des capacités de modélisation du système qui peuvent aider toute industrie intéressée à modéliser diverses options de récupération de la chaleur résiduelle afin d'obtenir la meilleure efficacité thermique possible.

Je pense qu'il s'agit d'une question essentielle : pourquoi est-ce seulement maintenant que nous avons pu concevoir, construire et mettre en œuvre cette technologie de caloducs ? Leprincipe a environ quarante ans .

Vous devez avoir une bonne compréhension de la chimie. Vous devez comprendre la science des matériaux. Il faut bien comprendre l'analyse de rentabilité pour s'assurer qu'il s'agit de quelque chose qui aura un sens commercial pour toute entreprise qui l'adoptera. Vous devez également comprendre les phénomènes très complexes de transfert de chaleur ; principalement le transfert biphasé, l'écoulement biphasé, les termes complexes. Vous devez combiner les connaissances de tous ces éléments pour comprendre les exigences de la conception.

Et ce fut un réel plaisir de travailler en étroite collaboration avec notre entreprise de fabrication au Pays de Galles, au Royaume-Uni, pour développer les capacités de fabrication de ces caloducs. Nous concevons ensemble le processus de fabrication et l'installation.

Pouvez-vous donner quelques exemples de ce à quoi la technologie des caloducs sera confrontée, par exemple le cas de l'acier ? Savez-vous à quel type de température nous avons affaire ? Quelle est la situation dans un four à acier ?

Nous avons un cas de démonstration en Italie - le producteur de céramique Atlas Concorde - et l'exigence est de fournir de l'eau chaude à haute pression jusqu'à 170 degrés pour une utilisation dans le processus lui-même dans différentes zones. Et cette eau sera chauffée en utilisant la chaleur perdue que nous avons récupérée de notre échangeur de chaleur.

La caractéristique unique de l'échangeur de chaleur que nous avons construit est que le flux d'échappement traverse une section qui est presque à la pression atmosphérique. Il n'est donc pas nécessaire d'investir dans un équipement à haute pression sur le flux d'échappement, ce qui rend le système rentable. En outre, nous avons géré l'encrassement qui est attendu en raison de la charge en particules de cet échappement.

L'aciérie SIJ Metal Ravne en Slovénie a besoin de plusieurs dissipateurs thermiques. Les fluides des puits de chaleur sont les fluides qui sont chauffés par la chaleur récupérée. Ainsi, en Slovénie, l'unité dispose de deux dissipateurs de chaleur. Le premier récupère la chaleur d'un échappement à haute température qui entre, et cette chaleur est directement utilisée pour préchauffer l'air qui est utilisé dans la chambre de combustion, ce qui conduira directement à une réduction du carburant utilisé pour leur donner la température dont ils ont besoin dans le processus.

Cet échappement laissera à cette section suffisamment d'énergie qui pourra également être récupérée pour chauffer de l'eau à 90 degrés. L'entreprise ne se contente pas de réutiliser la chaleur qu'elle récupère. Elle exporte également de l'énergie vers une zone plus large, ce qui la rend plus intégrée à la communauté.

Quant à la ligne de production d'alliages d'aluminium Fagor Ederlan en Espagne, qui est l'unité de l'un de nos partenaires, elle est soumise à de très hautes températures. Des températures élevées qui nécessitent généralement des conceptions très complexes et une approche très itérative pour s'assurer qu'en toutes circonstances, il n'y a pas de contamination croisée entre les deux flux, et que vous gérez la haute température pour donner au processus des chaleurs et des fluides à haute température qu'ils peuvent utiliser dans le processus. C'est quelque chose que nous avons effectivement géré à ETEKINA de manière rentable et nous avons installé l'unité avec succès.

Chacune des unités que nous avons livrées dans le cadre de ce projet a traité un flux d'échappement complexe et difficile d'une manière spécifique. C'est ce qui rend la technologie du caloduc si unique. Elle peut apporter des solutions à des scénarios complexes.

En outre, du point de vue des investisseurs, les chiffres sont étonnants.

Dans ce projet, il ne s'agit pas seulement d'un défi académique. Il s'agit d'un projet appliqué. Nous devions livrer trois systèmes avec un retour sur investissement en 24 mois ou moins. Sinon, nous ne pourrons pas convaincre l'industrie au sens large de l'adopter.

Par conséquent, comme vous l'avez dit, l'analyse de rentabilité des unités était plutôt étonnante, et la validation est venue des données que nous avons recueillies jusqu'à présent. Nous atteignons notre objectif si ces unités doivent être installées ou conçues pour un processus similaire partout en Europe ou dans le monde.

Alors, quelle est la prochaine étape ? Allons-nous sauver le monde avec cette technologie ?

Eh bien, je l'espère. Le fait est qu'aujourd'hui, en Europe, si vous pensez à notre continent, le coût des émissions est extrêmement élevé. Ce qui est intéressant dans ce projet, c'est qu'à mi-chemin d'ETEKINA et après avoir mené quelques expériences sur l'un des sites, nous avons réalisé que nous pouvions faire encore plus de choses avec cette technologie.

En travaillant sur ce projet et avec des partenaires très compétents, nous avons découvert une autre idée que nous explorons actuellement dans le cadre d'un autre projet. Et ce projet, nous l'espérons, sauvera à nouveau le monde, car il permettra non seulement de récupérer la chaleur perdue, mais aussi les eaux usées.

Et quel type d'exploitation envisagez-vous pour ETEKINA au niveau commercial ?

Nous disposons maintenant d'une technologie qui se trouve au bon niveau de préparation technologique (TRL), ce qui permettra au fabricant, en l'occurrence Econotherm, d'avoir des marchés beaucoup plus larges pour fournir ces unités aux industries au bon niveau de rentabilité.

Vous pouvez encore voir des cheminées qui émettent des vapeurs. Cela vous indique qu'il y a autre chose à faire, et qu'il y a quelque chose à faire pour éliminer ces cheminées et tout recycler dans l'usine elle-même, ce qui n'est pas un rêve. Ce n'est pas un rêve, cela peut devenir une réalité avec la bonne approche.

Quel est l'impact d'ETEKINA sur le monde universitaire ?

Nous avions pour objectif de fournir de nouvelles solutions à des industries bien établies et leaders dans leur domaine. Mais en parallèle, nous travaillons ensemble en tant qu'universités et instituts de recherche.

Par exemple, nous avons atteint de nouvelles capacités de modélisation. Habituellement, ces capacités de modélisation nécessitent une recherche très coûteuse. En d'autres termes, si elles doivent être réalisées en laboratoire, il serait extrêmement coûteux de pouvoir effectuer ces recherches et d'utiliser des équipements informatiques. Et nous les avons fait publier.

Ils sont maintenant disponibles pour l'ensemble de la communauté de recherche partout dans le monde qui a accès à ces articles. Cela rend ETEKINA aussi utile pour le monde universitaire qu'il l'était pour le secteur industriel.