Un modèle de récupération de chaleur résiduelle écoénergétique

Le groupe Aurubis a adopté cette même approche pour améliorer la durabilité dans l’une de ses fonderies. En partenariat avec le fournisseur d’énergie allemand enercity AG, Aurubis est devenu le moteur d’un réseau de chauffage urbain qui dessert le quartier HafenCity de Hambourg. L’énergie du réseau provient de la chaleur perdue qu’Aurubis récupère de son usine d’acide sulfurique à proximité, en utilisant la technologie unique d’échangeur thermique à plaques d’Alfa Laval conçue pour résister à la corrosion et à la haute pression et à la chaleur extrême associées au processus.

Le groupe Aurubis, l’un des plus grands producteurs et recycleurs de cuivre au monde, exploite une grande fonderie sur l’île de Peute, située sur l’Elbe, au cœur de Hambourg. Le dioxyde de soufre gazeux est un sous-produit du procédé pyrométallurgique du cuivre utilisé ici. Dans l’usine d’acide sulfurique, ce gaz est converti d’abord en trioxyde de soufre et ensuite en acide sulfurique liquide. L’acide sulfurique est continuellement dilué dans le processus. La dilution de l’acide est un processus hautement exothermique, qui libère des quantités importantes de chaleur. Grâce au GPHE d’Alfa Laval, cette chaleur peut être récupérée par Aurubis pour être utilisée dans le chauffage urbain.

La production d’acide sulfurique a lieu dans les installations de la fonderie. Au cœur de l’usine se trouve une tour d’absorption intermédiaire. La chaleur de dilution de cette étape était autrefois refroidie avec de l’eau de rivière de l’Elbe et donc laissée inutilisée. L’objectif du projet collaboratif d’Aurubis avec enercity était d’utiliser des échangeurs thermiques pour récupérer l’énergie de ce processus et de réutiliser cette énergie de manière durable en l’injectant dans le réseau de chauffage urbain de HafenCity.

Exigences élevées en matière de conception d’équipement et de matériaux

Le premier défi qu’Aurubis a dû relever était le suivant : l’eau chaude utilisée dans ce type de système de chauffage urbain devait avoir une température initiale d’au moins 90 °C. Par conséquent, la société a dû commencer par construire une tour d’absorption intermédiaire entièrement repensée, augmentant la température de traitement de l’acide sulfurique concentré à environ 120 °C, soit une augmentation de température de près de 50 °C.

Cependant, cette nouvelle tour d’absorption intermédiaire venait encore compliquer le projet déjà exigeant de conception d’un système de récupération de chaleur impliquant une substance aussi difficile que l’acide sulfurique. La température plus élevée du procédé a considérablement augmenté la corrosivité du milieu.

Cela a représenté un défi particulièrement difficile pour les échangeurs thermiques du projet, qui devaient être construits avec des matériaux hautement résistants à la corrosion en plus de pouvoir supporter des pressions et des températures élevées, et d’offrir des performances thermiques extrêmement élevées pour assurer un transfert efficace de chaleur du procédé Aurubis vers le réseau de chauffage urbain.

Un échangeur thermique à la hauteur du défi

Aurubis a contacté Alfa Laval, qui avait travaillé avec le producteur de cuivre pour concevoir des échangeurs thermiques à plaques personnalisés, entièrement adaptés à l’environnement de processus exigeant. Le système final était composé de huit échangeurs thermiques dotés de plaques de canal dernier cri. Trois des échangeurs thermiques (les refroidisseurs de la tour d’absorption intermédiaire) étaient des unités semi-soudées, fabriquées en matériau Hastelloy D-205, un alliage à base de nickel particulièrement résistant à la corrosion par l’acide sulfurique. D-205 livre des performances éprouvées dans de nombreuses usines d’acide sulfurique à travers le monde depuis les années 1990. Avec plus de 300 unités D-205 installées dans le monde, ce matériau éprouvé était le choix évident pour assurer un fonctionnement fiable, sûr et efficace. Les cinq autres échangeurs thermiques du système sont des échangeurs thermiques à plaques et joints : trois échangeurs thermiques eau-eau et deux échangeurs acide-acide.

Contrairement aux échangeurs thermiques traditionnels à plaques et joints, la conception semi-soudée du modèle d’Alfa Laval est capable de résister à la fatigue mécanique dans les applications avec des pressions et des températures de conception élevées. La conception unique de la plaque assure également une efficacité thermique très élevée, avec une approche de température de seulement 3 °C. Cela signifie que l’eau utilisée pour transférer la chaleur vers le réseau de chauffage urbain ne peut quitter l’échangeur thermique qu’à quelques degrés de moins que l’acide chaud entrant dans l’unité.

De plus, les échangeurs thermiques à plaques sont plus compacts, ce qui permet une installation plus facile et plus économique dans un espace plus restreint.

Améliorer la durabilité à travers plusieurs dimensions

Aurubis utilise environ un quart de la chaleur récupérée du processus de conversion du dioxyde de soufre pour soutenir d’autres processus à la fonderie. Le reste de la chaleur, correspondant à environ 160 000 MWh d’énergie, est acheminé par la canalisation de chauffage urbain vers le quartier HafenCity de Hambourg. Ici, l’efficacité thermique de la solution d’échangeur thermique d’Alfa Laval prend toute son importance. Comme HafenCity est située sur l’autre rive de l’Elbe par rapport à l’île de Peute, le parcours du chauffage urbain fait plus de trois kilomètres de long. Chaque degré de chaleur récupérée du processus est donc critique.

Les estimations actuelles indiquent qu’en plus de ce qu’Aurubis utilise sur le site de l’usine, la chaleur récupérée alimente jusqu’à 8 000 foyers de quatre personnes, ainsi que des bureaux, des hôtels et une université. Comme la chaleur récupérée présente une empreinte carbone effective nulle, le projet permet de réduire les émissions de CO₂ de 20 000 tonnes par an, dont la moitié dans les installations d’Aurubis. Un avantage supplémentaire réside dans le fait qu’Aurubis n’a plus besoin de compter sur de l’eau de refroidissement tirée de l’Elbe, ce qui constitue un atout certain pour l’écologie locale.

L’Agence allemande de l’énergie a reconnu le projet comme un « modèle de l’utilisation écoénergétique de la chaleur résiduelle ». Et le potentiel ne s’arrête pas là. Actuellement, une seule des trois lignes des installations de fabrication d’Aurubis fournit de la chaleur résiduelle industrielle à HafenCity, ce qui signifie que 480 000 000 kWh peuvent encore potentiellement être récupérés. À l’avenir, cela pourrait entraîner une réduction de 140 000 tonnes par an des émissions de CO₂.