La réutilisation de la chaleur résiduelle peut permettre à l'aluminium de devenir une industrie plus verte.

L'aluminium est l'un des produits de base les plus recyclés au monde, mais les processus de production de ce métal ont encore un impact environnemental élevé sur la planète. Les nouvelles technologies de récupération de la chaleur résiduelle peuvent permettre à l'industrie de se rapprocher de méthodes de production plus propres.

L'aluminium est le deuxième métal le plus produit et l'un des produits de base les plus recyclés au monde. Cette capacité à être récupéré et réutilisé indéfiniment permet à l'industrie d'offrir une alternative plus verte et plus propre à d'autres matériaux peu respectueux de l'environnement. Pourtant, des facteurs tels que l'énorme consommation d'énergie et l'utilisation inefficace de la chaleur impliquée à la fois dans la production primaire de ce métal à partir du minerai de bauxite et dans la production secondaire à partir de la ferraille, suppriment cette opportunité ; rendant l'industrie de l'aluminium responsable d'au moins 1% des émissions de gaz à effet de serre ajoutées à l'atmosphère par l'activité humaine et de 2,5% du_CO2.

"La beauté de l'aluminium, c'est que dans certaines industries, plus de 90 % du produit est recyclé et que 75 % de l'aluminium jamais produit est encore en circulation aujourd'hui", explique Daniel Brough, chercheur en doctorat à l'Institute of Energy Futures de l'université Brunel de Londres et ingénieur de chantier dans une usine d'aluminium secondaire. Il fait partie d'un groupe d'experts qui conçoivent des échangeurs de chaleur à caloducs dans le cadre du projet ETEKINA, un programme financé par l'Union européenne qui vise à récupérer plus de 40 % de la chaleur perdue accessible dans les flux perdus dans l'atmosphère par les industries à forte intensité énergétique.

"Il existe différentes technologies qui peuvent être mises en œuvre pour réduire les émissions de gaz à effet de serre [dans la fabrication de l'aluminium], la plus influente étant le projet Elysis, dont le siège est à Montréal. Mais la récupération de la chaleur résiduelle est une partie importante de l'équation - l'industrie de l'aluminium est un énorme producteur de chaleur résiduelle qui pourrait être ciblée", ajoute-t-il.

La production d'aluminium laisse des empreintes sur l'environnement qui comprennent des émissions d'acidification, des dommages liés à l'utilisation de combustibles fossiles et des résidus solides problématiques comme la boue rouge laissée par la bauxite ou les scories salées qui résultent du recyclage de ce métal. Toutefois, l'industrie a pris certaines mesures pour diminuer son impact négatif sur la planète.

L'une d'elles réside dans l'adoption massive de l'énergie hydroélectrique, qui alimente aujourd'hui 75 % de la production d'aluminium primaire. La modernisation des équipements en est une autre, même si des mesures supplémentaires peuvent encore être prises dans ce domaine. Par exemple, les fours utilisés par les fonderies d'aluminium sont encore conçus selon des méthodes semi-empiriques, malgré l'existence de technologies qui pourraient être utilisées pour les concevoir de manière plus efficace sur le plan énergétique, comme les analyses de dynamique des fluides numériques.

Ce sont là quelques-unes des conclusions que M. Brough et le professeur Hussam Jouhara de l'université Brunel de Londres décrivent dans leur article intitulé The aluminium industry : A review on state-of-the-art technologies, environmental impacts and possibilities for waste heat recovery, publié dans l'International Journal of Thermofluids. Leur recherche donne un aperçu complet des procédés et des technologies utilisés par l'industrie de l'aluminium ainsi que des outils déjà disponibles pour récupérer la chaleur.

Récupérateurs, préchauffeurs d'air ou pompes à chaleur sont quelques-unes des solutions qu'ils mentionnent. Parmi elles, les échangeurs de chaleur à caloducs, au cœur du projet ETEKINA, sont pointés comme l'un des dispositifs les plus prometteurs pour éviter le gaspillage de chaleur. Le professeur Jouhara, qui coordonne les activités techniques au sein d'ETEKINA, explique que les technologies conventionnelles ont déjà essayé de s'attaquer à la récupération de la chaleur perdue dans l'industrie de l'aluminium auparavant, sans grand succès. "Elles n'étaient pas adaptées à certains des flux difficiles résultant des processus de l'industrie de l'aluminium", explique-t-il.

La récupération de la chaleur issue de la production d'aluminium n'est pas une tâche facile, car elle doit être récupérée dans des flux qui transportent des gaz d'échappement susceptibles de provoquer de la corrosion ou de l'encrassement. Par conséquent, un entretien ou un remplacement fréquent des composants peut être nécessaire, ce qui rend la récupération de la chaleur non viable économiquement. Selon les deux experts, les échangeurs de chaleur à caloducs mis au point dans le cadre du projet ETEKINA offrent une solution plus durable et plus économique dans la voie de la "récupération de l'irrécupérable", car ils sont plus efficaces dans le transfert de la chaleur, disposent de mesures de contamination croisée supérieures et chaque caloduc individuel fonctionne indépendamment, ce qui annule le risque de défaillance de l'ensemble du système.

"Les échangeurs de chaleur à caloducs n'ont pas de pièces mobiles, donc de ce point de vue, ce qui peut mal tourner est très limité. La seule maintenance qu'ils nécessitent est un nettoyage régulier", explique le professeur Jouhara. "Grâce à cette nouvelle technologie, nous pouvons désormais nous attaquer à des problèmes qui étaient impossibles à résoudre en raison de la nature corrosive de ces échappements, ce que la technologie des caloducs a rendu possible. Ainsi, les progrès réalisés dans la conception des échangeurs de chaleur nous rapprochent le plus possible de la viabilité d'un processus écologique dans l'industrie de l'aluminium."

Trois applications pour la chaleur résiduelle

La production d'aluminium nécessite un niveau d'énergie tellement élevé qu'aux États-Unis, elle consomme environ 5 % de toute l'électricité produite dans ce pays, selon l'American Aluminium Association. La plupart des processus utilisent des températures élevées, ce qui signifie qu'une grande partie de cette énergie est perdue dans l'environnement sous forme de chaleur résiduelle. Pour éviter cela, les auteurs suggèrent de combiner différents types d'échangeurs de chaleur afin de cibler les pertes les plus importantes lors des étapes les plus énergivores du processus.

Les préchauffeurs d'air, les économiseurs et les échangeurs de chaleur à caloducs peuvent aider à réutiliser la chaleur perdue des gaz d'échappement, tandis que les thermocompresseurs peuvent aider à réutiliser la vapeur. Le document décrit trois applications potentielles différentes pour la chaleur perdue récupérée grâce à ces technologies :

1. Chauffage des locaux et chauffage urbain: selon le climat de l'emplacement de la fonderie, la chaleur perdue récupérée peut être redirigée pour fournir du chauffage aux bureaux adjacents ou à la communauté locale. La faisabilité de fournir aux communautés environnantes un chauffage urbain à partir de la chaleur résiduelle est actuellement étudiée pour AlcoaFjarðaál, une fonderie d'aluminium en Islande.
2. Optimisation de la production d'aluminium: la chaleur résiduelle peut être utilisée pour raccourcir certaines étapes de la production et obtenir des résultats plus efficaces. Ces applications potentielles comprennent le décapage et le préchauffage des ferrailles pour éliminer l'humidité et réduire la quantité d'énergie nécessaire à leur fusion, à l'aide d'une technologie de brûleur spécialisée qui réutilise la chaleur résiduelle.
3. Production d'électricité: en fonction de la qualité de la chaleur, différentes méthodes peuvent être utilisées pour transformer la chaleur perdue en électricité afin de réduire les coûts d'exploitation.

La réduction des dépenses est un argument tentant pour les entreprises qui investissent dans les technologies de récupération de la chaleur résiduelle, mais ce n'est pas le seul, comme l'explique M. Brough : "Il y a deux autres raisons majeures. La plus importante est l'utilisation durable et consciencieuse des ressources naturelles pour éviter tout impact futur sur la planète et les générations futures. L'autre est l'amélioration de l'image de marque et de la responsabilité sociale des entreprises."

Les deux experts s'attendent à ce que les échangeurs de chaleur à caloducs rendent la récupération de la chaleur perdue plus efficace et plus abordable dans les industries à forte intensité énergétique comme l'aluminium, l'acier et la céramique. Mais surtout, selon le professeur Jouhara, pour offrir une solution là où d'autres technologies ont échoué : "Nous ne sommes pas en concurrence avec les systèmes conventionnels si les flux sont standard et que les conceptions conventionnelles peuvent les traiter. Les caloducs peuvent être bénéfiques dans les domaines où aucune solution n'est disponible ou la situation est difficile au point qu'il n'y a pas de système conventionnel disponible pour traiter l'application de récupération de la chaleur résiduelle."

Auteur : Stefania Gozzer