Quatre jeunes scientifiques parlent de l'avenir de la récupération de la chaleur résiduelle

À la croisée des chemins de la durabilité, les industries à forte intensité énergétique sont confrontées à d'énormes défis. La récupération de la chaleur résiduelle est l'une des options les plus prometteuses pour économiser l'énergie, alimenter une économie circulaire et passer au vert. Depuis plus de trois ans, un groupe de scientifiques de quatre pays européens travaille sur le projet ETEKINA afin de réinventer une technologie incroyablement efficace pour récupérer et réutiliser l'excès de chaleur.

Dans le cadre du projet ETEKINA, les chercheurs ont mis au point trois nouveaux échangeurs de chaleur à caloducs (HPHE) pour répondre aux défis spécifiques de différentes industries à forte consommation d'énergie. Aujourd'hui, à quelques mois de l'achèvement du projet européen, quatre des plus jeunes esprits impliqués dans ce projet se sont réunis lors d'un appel vidéo le mois dernier pour partager leurs réflexions et leurs espoirs sur l'impact qu'ils attendent de ces échangeurs de chaleur à caloducs innovants dans des secteurs qui enregistrent certaines des plus grandes empreintes carbone au monde.

Ils s'appellent Matevz Pusnik, Nerea Nieto, Lujean Ahmad et Matteo Venturelli. Tous les quatre s'accordent à dire que l'une des caractéristiques les plus précieuses du projet est la création d'un outil révolutionnaire qui profitera aux industries à forte consommation d'énergie ayant un potentiel inexploité de réutilisation de la chaleur résiduelle. "Le HPHE est une solution compacte et robuste pour les industries à forte consommation d'énergie, à un moment où l'utilisation de la chaleur résiduelle est un sujet brûlant dans le monde entier", explique M. Matevz. "Et il est très innovant".

Les HPHE d'ETEKINA ont été conçus dans le but de récupérer entre 57 % et 70 % des flux de chaleur résiduelle dans trois secteurs spécifiques : l'acier, l'aluminium et la céramique. Ces chercheurs s'attendent à ce que les HPHE contribuent à la dynamique qui se met en place autour des systèmes d'utilisation de la chaleur résiduelle - à mesure que la prise de conscience du changement climatique s'accroît, le marché mondial des technologies de récupération de la chaleur résiduelle fait de même. Selon la société d'études de marché Technavio, ce secteur devrait enregistrer des augmentations annuelles de 6 % au cours des prochaines années, jusqu'à atteindre 16,8 milliards de dollars américains en 2023. Matevz, Nerea, Lujean et Matteo pensent qu'à l'avenir, toutes les industries à forte consommation d'énergie devront utiliser une sorte de système de récupération de chaleur. "C'est notre espoir et notre objectif", déclare M. Lujean.

Unir les forces de toute l'Europe

Pendant plus de trois ans, les jeunes chercheurs ont conjugué leurs efforts dans quatre pays différents. En Slovénie, Matevz Pusnik, 39 ans, est le responsable du développement d'un outil de gestion du logiciel de récupération de chaleur multi-usages utilisé dans l'une des études de cas d'ETEKINA, une entreprise de production d'acier de la ville de Ravne na Koroškem. "L'outil est un outil personnalisé qui permet d'optimiser les coûts et peut être utilisé par d'autres industries à forte consommation d'énergie pour l'optimisation des processus et l'évaluation basée sur des scénarios", explique-t-il. Matevz est chercheur à l'Institut Jožef Stefan, où il applique également son expertise en gestion de l'énergie industrielle à la préparation de modèles soutenant les documents stratégiques et politiques nationaux.

À plus de 1 600 kilomètres de là, dans le nord de l'Espagne, Nerea Nieto, ingénieur de 34 ans, participe à cette conversation. Elle est membre de l'équipe de l'institut de recherche d'Ikerlan qui supervise la mise en œuvre de la HPHE dans une usine de moulage sous pression d'aluminium à Arrasate-Mondragón. Elle a participé activement à ETEKINA depuis le début, en aidant à préparer la proposition et en développant un outil permettant d'identifier si la HPHE répondra aux besoins du client. "Nous travaillons avec des partenaires industriels pour identifier le flux de chaleur résiduelle qui présente le plus grand potentiel pour notre technologie, ainsi que le processus interne où cette chaleur récupérée peut être réutilisée", explique Nerea. Tout cela en recherchant de nouvelles idées susceptibles de devenir un projet européen.

Les scientifiques comme elle et Matevz sont habitués à être multitâches, partageant leur temps entre différents projets. Matteo, un doctorant de 29 ans de l'université de Modène et Reggio Emilia, participe actuellement à deux projets européens, dont ETEKINA. "Je suis en contact direct avec le producteur de tuiles en céramiqueAtlas Concorde, l'un des trois utilisateurs finaux où la HPHE sera installée et testée", explique-t-il. Il est notamment chargé de valider l'unité HPHE qui sera installée dans l'usine que la société possède dans la ville italienne de Fiorano Modenese.

Au Royaume-Uni, les résultats obtenus par ces trois chercheurs et leurs équipes permettront à Lujean, 31 ans, de concevoir la meilleure stratégie pour mettre le HPHE d'ETEKINA sur le marché. Elle est responsable du développement commercial du groupe de recherche sur les caloducs et la gestion thermique de l'université Brunel de Londres. "Nous analysons le marché en identifiant les tendances et en soulignant la valeur et l'avantage concurrentiel que le HPHE d'ETEKINA peut apporter. Nous développons également la proposition de valeur, le cycle de vie du client et les modèles commerciaux", explique-t-elle. Lujean est impliquée dans six projets Horizon 2020 liés aux technologies des caloducs, où elle fournit une orientation commerciale et participe à la diffusion des résultats.

Ces chercheurs reconnaissent les avantages économiques que leur projet peut apporter aux industries à forte intensité énergétique, mais ce sont les avantages écologiques qu'ils soulignent avec enthousiasme. "Les HPHE d'ETEKINA visent à réduire le coût de l'énergie en raison d'une consommation moindre, car les entreprises réutiliseront désormais l'énergie thermique résiduelle récupérée. Dans les pays dotés de systèmes de chauffage urbain, comme la Slovénie, ces avantages peuvent être étendus à la communauté, comme l'ajoute son collègue Matevz Pusnik : "Dans notre étude de cas, nous intégrons dans l'unité une technologie permettant de produire de la chaleur qui peut être transférée au réseau local de chauffage urbain. C'est un sujet brûlant en Europe en ce moment".

Lujean affirme que les réactions des partenaires et des experts ont été très positives, surtout, lorsqu'on compare le HPHE aux échangeurs de chaleur à calandre, la technologie standard dans le secteur. "Il y a tellement d'éléments différents que les échangeurs à calandre ne peuvent pas traiter, alors que le HPHE le peut, comme la récupération de la chaleur perdue, même avec des aspects difficiles dans les flux de chaleur, comme la gestion de l'encrassement, les températures de fonctionnement élevées et la capacité multi-puits, pour n'en citer que quelques-uns. Je vois que Matteo est d'accord avec moi sur ce point... De plus, l'outil d'analyse de la reproductibilité qui a été développé est formidable car le client peut venir dans les centres de recherche, ajouter des données comme les températures et les débits par exemple, et l'outil fournira une comparaison : "Voici ce que vous obtiendrez avec un HPHE et voici ce que vous obtiendrez avec un échangeur de chaleur à calandre". Il permet également de comparer grossièrement les aspects économiques", explique-t-elle.

"Les HPHE permettent de récupérer la chaleur résiduelle de flux très difficiles", ajoute Matteo. "Par exemple, en Italie, nous récupérons la chaleur des gaz d'échappement qui contiennent des particules... Comme le dit Lujean, un échangeur de chaleur traditionnel peut présenter des problèmes tels que l'encrassement ou les condensats acides. Mais la technologie HPHE permet d'éviter ces problèmes, car la température à l'intérieur du système est uniforme et il n'y a donc pas de points froids où les gaz d'échappement pourraient se condenser. La technologie HPHE permet de récupérer la chaleur de flux très difficiles, alors que la chaleur n'est généralement pas récupérée dans les gaz d'échappement industriels en raison de l'environnement difficile".

Un défi inattendu

Au cours de ces trois années, l'équipe a relevé des défis comme celui de persuader des partenaires industriels de participer au projet. "Ce n'était pas facile", admet Nerea Nieto, "leur activité consiste à produire, c'est leur principal objectif. Donc, même si l'efficacité énergétique est un sujet brûlant, ce n'est pas leur priorité et s'impliquer dans des projets européens va au-delà de la partie technique - vous devez préparer des rapports économiques et il y a beaucoup d'autres tâches."

"Je voudrais ajouter que les industries à forte consommation d'énergie ont tendance à être assez traditionnelles lorsqu'il s'agit de nouvelles technologies", dit Matevz Pusnik. "Ils préfèrent mettre en œuvre des choses qui fonctionnent depuis quelques années, voire des décennies, et, comme l'a mentionné Nerea, il y a la partie administrative, ils ont besoin d'être soutenus sur ce point."

"Mais je crois que le plus grand défi est assez évident", dit-il en faisant référence à la pandémie de Covid-19, "c'est un moment vraiment malheureux pour visiter les lieux et, comme Nerea l'a dit, le timing est crucial pour les industries. Pour nos partenaires, chaque arrêt de travail peut se traduire en argent. Il faut beaucoup de coordination... mais nous sommes sur la bonne voie."

Matteo est d'accord : "Il y a eu quelques retards dus à la pandémie, mais nous avons pu installer deux unités sur trois dans les installations de nos partenaires industriels (Espagne et Slovénie). Je pense que c'est une grande réussite."

Les unités HPHE ont été conçues par le professeur Hussam Jouhara de l'université Brunel de Londres et son équipe doit être présente lors des mises en service à chaud, ce qui s'est avéré compliqué en raison des restrictions de voyage internationales pour éviter la propagation du Covid-19. "Voyager pour installer et mettre en service ces unités est un point crucial de notre projet pour s'assurer que les procédures correctes sont suivies", explique Lujean. "Malgré les défis, nous avons voyagé deux fois en décembre 2020 et nous avons fait un effort supplémentaire pour nous assurer que nous étions présents en Espagne lorsqu'ils ont connu quelques problèmes techniques. Il y a eu beaucoup de mise en quarantaine pour le personnel de Brunel, disons-le comme ça."

Pour l'instant, certaines entreprises européennes, comme ces trois études de cas, ont leur premier contact avec les technologies de récupération de la chaleur excédentaire, mais beaucoup d'autres doivent encore apprendre les avantages économiques et environnementaux qu'elles peuvent offrir. Cependant, les quatre chercheurs sont convaincus qu'il s'agit d'une tendance du marché qui est là pour rester.

"Je dirais que toute entreprise à forte consommation d'énergie devra utiliser sa chaleur résiduelle d'une manière ou d'une autre. C'est un fait, car les prix de l'énergie et des coupons de CO2 augmentent", déclare M. Matevz. "De nombreux pays européens ont déjà inscrit l'utilisation de la chaleur résiduelle dans leurs plans nationaux pour l'énergie et le climat. Cela va donc se faire, mais cela dépend des spécificités de la technologie. La technologie HPHE s'attaque à un certain créneau et je pense que les technologies d'utilisation de la chaleur résiduelle feront l'objet d'une importante poussée au cours des dix prochaines années... L'utilisation de la chaleur résiduelle a donc un bel avenir devant elle."

Nerea, Matevz, Lujean et Matteo ont encore sept mois pour tester et optimiser les unités HPHE d'ETEKINA conçues pour les industries de l'acier, de l'aluminium et de la céramique et ils sont impatients de voir les résultats d'un projet qu'ils ont commencé en 2017. "La motivation des jeunes chercheurs est généralement très élevée. Lorsque vous êtes au début de votre carrière, vous voulez assumer ce genre de défis, prouver de nouvelles choses et apprendre beaucoup", explique Nerea.

"Je pense que c'est parce que vous faites partie d'un grand projet de recherche innovant qui, avec un peu de chance, sera mis sur le marché", convient Lujean. "Vous êtes motivé pour y parvenir et pour aller plus loin".

Pour Matevz, des projets comme ETEKINA offrent aux jeunes scientifiques une occasion rare de travailler dans des environnements industriels qu'ils n'auraient pas autrement : "Vous pouvez aller dans leurs installations, voir les machines et tout. Cela vous marque et vous apprenez beaucoup des personnes qui y travaillent - elles sont confrontées à des problèmes complètement différents de ce que vous pensiez. Il est important que les jeunes chercheurs aient un aperçu de l'environnement industriel réel."

Auteur : Stefania Gozzer