Étude de faisabilité de récupération de chaleur sur fumées de four de fusion

Le site sidérurgique a sollicité Coretec pour étudier la faisabilité de récupérer la chaleur fatale et intégrer une récupération d’énergie sur les fumées du four de fusion (puissance installée 130 MWe).

Les solutions, individuellement ou en combinaison, paraissent intéressantes techniquement et économiquement et sont de nature à contribuer à réduire l’impact carbone de l’usine ainsi que sa facture énergétique.

Étudier la faisabilité d’intégration d’une ou plusieurs récupérations de chaleur fatale sur les fumées du four de fusion du site en vue d’une valorisation sous forme de chaleur ou d’électricité.

Étude de faisabilité de récupération de chaleur fatale consistant à :

• Réaliser les bilans thermiques : sources / puits de chaleur
  • Établir les bilans thermiques des sources de récupération d’énergie et puits de valorisation potentielles.
  • Analyser l’adéquation entre les sources et les consommateurs potentiels.
• Prédéfinir les solutions techniques adaptées.
• Chiffrer les budgets d’investissement et identifier les subventions envisageables.
• Comparer les solutions envisageables, leurs impacts sur les consommations d’énergie et les émissions de CO2 et leur rentabilité.

BILAN THERMIQUE

Analyse des données d’entrée

Le cycle de production, de 1h environ, consiste en 2 phases de fonte entrecoupées d’une pause. La récupération de chaleur est uniquement possible durant les phases de fonte.

2 récupérations de chaleur possibles

L’installation dispose d’un système type Quench, visant principalement à refroidir les fumées avant traitement de fumées. La récupération de chaleur est envisageable en amont ou en aval de ce dispositif :

• Environ 8 MW en moyenne de puissance récupérable en amont du Quench et 2,5 MW en aval. Il y a donc un fort intérêt à se mettre en amont du Quench pour valoriser un maximum l’énergie disponible.
• Température des fumées : 260°C en moyenne amont Quench (600°C max)
• Process discontinu : il n’est pas possible de récupérer de l’énergie 40% du temps : nécessité de stocker l’énergie pour augmenter le temps de valorisation.

Puits de chaleur potentiels :

• Chauffage d’un atelier de 3 000 m2 environ.
• Création d’un Réseau de Chauffage Urbain (RCU) de la ville voisine, dont le volume énergétique est estimé à 20 000 MWh/an.

Production d’électricité :

• Production d’électricité via un ORC
  

Solution 1 : Valorisation de la chaleur et production d’électricité via un ORC 

• Production d’électricité : 6 000 MWh
• Système indépendant et permettant de produire en toute saison
• Environ 13% de rendement avec une température d’eau surchauffée de 160°C

Solution 2 : Valorisation de chaleur via un RCU + chauffage en interne 

• Meilleur rendement que les autres solutions (car valorisation en plus basse température)
  
• Volume énergétique annuel valorisé : 12 000 MWh.
• Besoin du RCU très fluctuant en fonction des saisons. Solution avec valorisation importante seulement 6 mois de l’année, peu de valorisation en été (ECS pour RCU seulement).
• Solution seulement moyen terme : RCU à créer.

Solution 3 : Valorisation multiple : ORC + RCU eau chaude 

• Permet de valoriser directement de la chaleur
• Volume énergétique annuel valorisé : 10 700 MWh.
  (Énergie disponible divisée : haute température valorisée par l’ORC et basse température par le RCU.
  Malgré un échangeur de taille plus importante, la valorisation globale en GWh est plus faible.)
• Production d’électricité lorsque les besoins du RCU sont moins élevés
• Abaissement des fumées jusqu’à 130°C maximum

Bilan global : chiffres approximatifs

*Hypothèse :  prix chaleur : 30€/MWh et prix électricité : 50€/MWh

Schéma simplifié :

Implantation et interface fumées

• La zone nécessaire pour la mise en place de l’installation est d’environ 45 x 20m
• L’emplacement de l’échangeur de récupération se situant relativement loin, cela nécessite de gros travaux de gaines

Problématiques techniques du projet :

• Débit des fumées à consolider (pas de mesure actuellement)
• Composition des fumées
• Impact de la batterie de récupération sur les fumées sur le ventilateur existant
• Volume et répartition du besoin du RCU.

Solution technique composée principalement de :

• 1 batterie de récupération d’énergie fumées / Eau surchauffée de 19 MW
• 1 cuve de stockage de 30 m³ permettant de lisser l’énergie récupérée, disposée sur la boucle eau surchauffée.
• 1 boucle hydraulique primaire de circulation d’eau surchauffée comprenant pompe de circulation, système de maintien de pression charge/décharge, 1 aérotherme de sécurité et découplage hydraulique
• 1 boucle de valorisation pour chauffage atelier, avec 20 aérothermes de 30 kW.
• 1 boucle de valorisation pour production électrique, composée principalement d’un module ORC permettant de produire 1 300 kW électrique.
• 1 boucle de valorisation sur réseau de chauffage urbain futur, avec 1 échangeur de 4 MW.

Bilan des solutions 

• La solution globale (3) permet de produire plus de 5 000 MWh/an électrique et plus de 10 000 MWh/an thermique. (Gain de plus de 500 k€/an.)
  Cette solution permettrait de couvrir 67% des besoins de chaleur du futur RCU de la ville.
• Les prix de l’énergie ayant fortement augmentés, ces solutions sont complétement d’actualité et deviennent rentables.
• Les solutions ORC ou RCU permettent une moindre valorisation que la solution globale.
  Cependant, la solution RCU seul permet de couvrir 78% des besoins du RCU.

La solution RCU seul est la plus intéressante d’un point de vue de temps de retour sur investissement mais présente l’inconvénient d’être une solution non disponible à court terme (nécessité de créer le RCU).
La solution globale ORC + RCU reste pertinente avec un TRI de 6 années aides déduites.

Aides au financement

• Décarb’ Flash via l’ADEME.

Pour les projets de plus de 3 M€ : il faut déposer un dossier et l’aide pour les ETI peut atteindre jusqu’à 30% du montant du projet.

• Fonds chaleur

Le Fonds Chaleur de l’ADEME vise à soutenir les projets de production de chaleur à partir d’énergies renouvelables et de récupération d’énergie, ainsi que les réseaux de chaleur. Il permet d’obtenir une subvention à hauteur de 30 % du montant du projet.

• CEE spécifique

Le site étant soumis à PNAQ, il est nécessaire d’avoir la certification ISO 50001 pour prétendre à des opérations spécifiques. Ici, les aides sont estimées à environ 1 000 k€ pour la version globale et 1 150k€ pour la version RCU car la valorisation thermique est plus grande.

• Récupérer la chaleur sans modifier les conditions process de fonctionnement du four de fusion.
• Permettre une récupération de chaleur sur plusieurs consommateurs : réseau de chauffage urbain, production d’électricité par ORC.
• Étudier le réseau de chauffage urbain à l’extérieur du site.

Qu’est ce qui fait que ce sujet est intéressant à étudier ?

« Le sujet est très intéressant car il s’agit d’un projet de valorisation de chaleur fatale qui fait sens. Il est aussi intéressant de par sa technicité que ce soit sur la technologie de l’échangeur ou en termes de stockage d’énergie.

Il était nécessaire de faire plusieurs simulations afin de trouver les designs optimaux pour chacune des solutions. A la fin, cela permet d’avoir des économies d’énergie assez conséquentes ce qui est gratifiant. »

Des difficultés lors de l’étude ?

« La principale difficulté sur un projet comme cela est la qualité du flux de fumées. Cela impacte directement le design de l’échangeur de récupération. Il est donc nécessaire de réaliser plusieurs aller/retour avec le client et les fournisseurs pour trouver la bonne solution.

L’autre point difficile est de trouver le bon compromis dans le design des équipements mais sur ce point nous sommes autonomes ce qui facilite le travail. »

Charlie Lecocq – Chargé d’études

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