HafenCity, un modèle vertueux de valorisation de chaleur fatale de fonderie de cuivre

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.

Les fonderies de cuivre, d'importants gisements de chaleur perdue

Le groupe Aurubis est l’un des plus grands producteurs et recycleurs de cuivre à l'échelle mondiale. C'est au cœur de Hambourg qu'il exploite une fonderie de cuivre, sur l’île de Peute, située sur la rivière Elbe.

Un emplacement décisif pour le projet de réseau de chaleur urbain du quartier de HafenCity...

D'importantes quantités de chaleur inexploitées

Le dioxyde de soufre gazeux est un sous-produit du procédé pyrométallurgique du cuivre. Ce gaz est converti dans l’usine d’acide sulfurique, d’abord en trioxyde de soufre puis en acide sulfurique liquide, qui est continuellement dilué dans le processus.

Or la dilution de l’acide sulfurique est un processus hautement exothermique, qui libère des quantités importantes de chaleur.

La chaleur de dilution de cette étape était autrefois refroidie avec de l’eau de rivière de l’Elbe et donc inutilisée.

L’objectif du projet collaboratif d’Aurubis avec Enercity AG 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

Ce projet de système de récupération de chaleur était exigeant, et comportait de nombreuses difficultés.

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

Une substance aussi difficile que l’acide sulfurique, a également généré une autre difficulté au niveau de la nouvelle tour d’absorption intermédiaire. En effet, la température plus élevée du procédé a eu pour conséquence de considérablement augmenter la corrosivité du milieu.

Cela a représenté un défi particulièrement difficile pour les échangeurs thermiques du projet, qui devaient être réalisés 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 8 échangeurs thermiques dotés de plaques de canal dernière génération. 3 des échangeurs thermiques utilisés sur les refroidisseurs de la tour d’absorption intermédiaire étaient des unités semi-soudées, fabriquées en alliage Hastelloy D-205 à base de nickel, particulièrement résistant à la corrosion par l’acide sulfurique.

L'alliage hastelloy 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 un choix évident pour assurer un fonctionnement fiable, sûr et efficace.

Les 5 autres échangeurs thermiques du système sont des échangeurs thermiques à plaques et joints : 3 échangeurs thermiques eau-eau et 2 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 de 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 3 kilomètres de long. Chaque degré de chaleur récupérée du processus est donc critique.

Le réseau de chauffage urbain de HafenCity

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 4 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.

D'autre part, 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 3 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.