Come il recupero del calore residuo cambierà i paesaggi

Ogni anno le industrie di tutta Europa permettono ad una preziosa fonte di energia termica di uscire semplicemente dai loro camini. Un progetto finanziato dall'UE chiamato ETEKINA ha reimmaginato una tecnologia vecchia di decenni chiamata scambiatori di calore a tubi di calore che permettono alle aziende di riutilizzare il calore che generano. Finora tre siti che hanno installato la tecnologia prototipo hanno ridotto i loro costi di carburante del 40% - un impianto di produzione di alluminio in Spagna (Fagor Ederlan), un'acciaieria in Slovenia (SIJ Metal Ravne) e un produttore di ceramica in Italia (Atlante Concorde).

Hussam Jouhara, un professore di ingegneria termica alla Brunel University di Londra è il coordinatore tecnico del progetto e ha condiviso i suoi pensieri sul progetto con ESCI.

Intervistatore: Professor Jouhara, lei e il team del progetto ETEKINA avete trovato un modo per aggiungere un nuovo tipo di scambiatore di calore per recuperare il calore da un processo industriale e riutilizzarlo in un'altra parte della fabbrica. Cosa c'è al centro di questa tecnologia?

Hussam Jouhara: Un tubo di calore è un superconduttore termico. La chiave è che non c'è bisogno di forzare un fluido usando pompe o tubazioni tra la regione calda e quella fredda per facilitare il processo di trasferimento del calore. Il tubo di calore stesso può farlo in modo passivo, purché gli si permetta di accedere al flusso caldo e al flusso freddo nelle condizioni corrette di trasferimento di calore.

Quando si guarda il sistema dall'esterno, sembra piuttosto semplice. I tubi entrano tra due camere, e questi tubi stanno solo assorbendo il calore e consegnando il calore dove è richiesto. Ma se si guarda più in profondità all'interno di ogni tubo, si ha una scienza molto complessa. Hai a che fare con il trasferimento di calore a due fasi - il liquido che cambia la sua fase da liquido a vapore e nel processo trasporta il calore latente per consegnarlo alla sezione del condensatore dove questo vapore si condensa, che poi riscalda il fluido riscaldante.

Può fare qualche esempio sui diversi liquidi che si possono usare o sui diversi materiali?

Nel progetto ETEKINA abbiamo usato due fluidi all'interno di questi sistemi di tubi di calore. Un fluido è l'acqua ultrapura. Ma quando abbiamo applicazioni ad alta temperatura, abbiamo anche fluidi che sono in grado di essere usati efficacemente all'interno dello scambiatore di calore stesso per far funzionare i tubi di calore in modo sicuro. Poiché questi fluidi sono confinati all'interno del sistema, ne viene utilizzata solo una piccola quantità.

Il progetto ETEKINA è iniziato quattro anni fa. Qual era la tua intenzione per il progetto? Da cosa è partita l'idea?

L'idea di mettere insieme il progetto ETEKINA era proprio quella di dimostrare l'importanza e il potenziale della tecnologia dei tubi di calore e come può essere utilizzata per recuperare il calore di scarto da flussi molto impegnativi che altri sistemi convenzionali non riuscirebbero a recuperare e riutilizzare il calore recuperato nell'impianto stesso. Questo porta poi a ridurre l'impronta di carbonio dell'impianto e a ridurre la domanda di energia e a migliorare l'efficienza energetica dell'impianto in generale.

Penso anche che ETEKINA stia contribuendo a migliorare l'efficienza di questi sistemi, utilizzando la giusta tecnologia che faciliterà tutto ciò. L'obiettivo di ETEKINA era il recupero del 40% del calore disponibile che viene sprecato dai flussi di scarico. Sono lieto di dire che dopo quattro anni e dopo aver installato le tre unità, il consorzio è riuscito a ottenere il 40% come minimo.

In realtà siamo al di sopra in tutti e tre i casi dimostrativi. Questo è qualcosa che è un piacere riportare, ed è un successo per tutto il consorzio.

L'altra intenzione era quella di consegnare un progetto di scambiatore di calore a tubi di calore ad alto TRL che può essere consegnato direttamente alla più ampia comunità industriale. Inoltre, gli RTD coinvolti in questo progetto hanno sviluppato capacità di modellazione del sistema che possono aiutare qualsiasi industria interessata a modellare varie opzioni di recupero del calore residuo per ottenere la massima efficienza termica possibile.

Penso che sia una domanda critica: perché solo ora siamo stati in grado di progettare, costruire e implementare questa tecnologia di tubi di calore? Ilprincipio ha circa quarant'anni .

Bisogna avere una comprensione adeguata della chimica. Bisogna capire la scienza dei materiali. Bisogna capire bene il business case per assicurarsi che questo sia qualcosa che abbia un senso commerciale per qualsiasi azienda che lo adotterà. Dovete anche capire i fenomeni di trasferimento del calore molto complessi; principalmente il trasferimento bifase, il flusso bifase, i termini complessi. Bisogna combinare la conoscenza di tutti questi elementi per comprendere i requisiti del progetto.

Ed è stato un vero piacere lavorare a stretto contatto con la nostra azienda di produzione in Galles, nel Regno Unito, per sviluppare le capacità di produzione di questi tubi di calore. Progettiamo insieme il processo di produzione e l'installazione.

Può fare alcuni esempi di ciò che ha menzionato la tecnologia dei tubi di calore, per esempio il caso dell'acciaio? Sa con che tipo di temperature abbiamo a che fare? Qual è la situazione in un forno per acciaio?

Abbiamo un caso demo in Italia - il produttore di ceramica Atlas Concorde - e la richiesta è di fornire acqua calda ad alta pressione fino a centosettanta gradi per l'uso nel processo stesso in varie aree. E quest'acqua sarà riscaldata utilizzando il calore residuo che abbiamo recuperato dal nostro scambiatore di calore.

La caratteristica unica dello scambiatore di calore che abbiamo costruito è che il flusso di scarico scorre attraverso una sezione che è a pressione quasi atmosferica. Quindi, non c'è nessun investimento reale che sia necessario per l'attrezzatura ad alta pressione sul flusso di scarico, il che rende il sistema conveniente. Inoltre, abbiamo gestito il fouling che è previsto a causa del carico di particolato in questo scarico.

L'acciaieria SIJ Metal Ravne in Slovenia ha bisogno di più dissipatori di calore. I fluidi del dissipatore di calore sono i fluidi che vengono riscaldati dal calore che viene recuperato. Così, in Slovenia, l'unità lì aveva due dissipatori di calore. Il primo recupera il calore da uno scarico ad alta temperatura che entra, e questo calore ha un uso diretto nel preriscaldamento dell'aria che viene usata nella camera di combustione, che porterà direttamente alla riduzione del combustibile che viene usato per dargli la temperatura necessaria nel processo.

Questo scarico lascerà quella sezione con abbastanza energia anche che può essere recuperata per riscaldare l'acqua a 90 gradi. L'azienda non sta solo riutilizzando il calore che recupera. Sta anche esportando energia alla zona più ampia, rendendola più integrata con la comunità.

Per quanto riguarda la linea di produzione di leghe di alluminio Fagor Ederlan in Spagna, che è l'unità di uno dei nostri partner, questa unità ha a che fare con temperature molto alte. Alte temperature che di solito richiedono progetti molto complessi e un approccio molto iterativo per garantire che in qualsiasi circostanza non si abbia alcuna contaminazione incrociata tra i due flussi, e che si gestisca l'alta temperatura per dare al processo calore e fluido ad alta temperatura da poter utilizzare nel processo. È qualcosa che abbiamo effettivamente gestito in ETEKINA in modo economico e abbiamo installato con successo l'unità.

Ciascuna delle unità che abbiamo consegnato in questo progetto ha affrontato un flusso di scarico complesso e impegnativo in un modo specifico. Questo è l'aspetto unico della tecnologia dei tubi di calore. Può fornire soluzioni a scenari complessi.

Inoltre, dal punto di vista dell'investitore, avete numeri sorprendenti.

In questo progetto non è solo una sfida accademica. È un progetto applicato. Dovevamo consegnare tre sistemi con una cifra di ritorno dell'investimento entro 24 mesi o meno. Altrimenti non possiamo convincere l'industria in generale ad adottarlo.

Quindi, come ha detto lei, il business case per le unità è stato piuttosto sorprendente, e la convalida è venuta dai dati che abbiamo raccolto finora. Stiamo raggiungendo il nostro obiettivo se queste unità devono essere installate o progettate per un processo simile ovunque in Europa o nel mondo.

Quindi, qual è il prossimo passo? Salveremo il mondo con questa tecnologia?

Beh, spero di sì. Il fatto è che oggi in Europa, se si pensa al nostro continente, il costo delle emissioni è estremamente costoso. La cosa interessante di questo progetto è che a metà strada di ETEKINA e facendo alcuni esperimenti in uno dei siti, abbiamo capito che potremmo fare ancora più cose con questa tecnologia.

Mentre lavoravamo in questo progetto e lavoravamo con partner molto capaci, abbiamo sbloccato un'altra idea che ora stiamo esplorando in un altro progetto. E si spera che questo progetto salverà di nuovo il mondo perché non solo recupererà il calore sprecato, ma anche le acque reflue.

E che tipo di sfruttamento vede per ETEKINA a livello commerciale?

Ora abbiamo una tecnologia che è al giusto livello di prontezza tecnologica (TRL) che permetterà al produttore in questo caso, Econotherm, di avere mercati molto più ampi per fornire queste unità alle industrie al giusto livello di business case.

Si possono ancora vedere i camini che emettono vapori. Vi dice che c'è qualcos'altro che possiamo fare, e c'è qualcosa che possiamo fare per eliminare quei camini e riciclare tutto nell'impianto stesso, che non è un sogno. Può essere una realtà con il giusto approccio.

Che tipo di impatto ha ETEKINA sul mondo accademico?

Avevamo l'obiettivo di fornire nuove soluzioni per industrie consolidate e leader nei loro campi. Ma in parallelo, lavoriamo insieme come università e istituti di ricerca.

Per esempio, abbiamo raggiunto nuove capacità di modellazione. Di solito, queste capacità di modellazione rendono la ricerca molto costosa. Cioè, se deve essere fatta in laboratorio, sarebbe estremamente costoso poter fare quella ricerca e usare attrezzature informatiche. E le abbiamo fatte pubblicare.

Questi sono ora disponibili per la più ampia comunità di ricerca in tutto il mondo che ha accesso a questi articoli. Questo rende ETEKINA utile al mondo accademico come lo era per il settore industriale.