Récupération de chaleur résiduelle : exploiter la chaleur résiduelle pour décarboniser le ciment et l'acier

Les industries du ciment et de l’acier sont notoirement difficiles à décarboner, mais leurs usines de production génèrent la solution : la chaleur perdue. Tobias Panse de Siemens Energy explique.

Peu de procédés industriels génèrent autant de CO2 que la production de ciment.

Il prend du calcaire et le broie, le brûle et le broie en utilisant une énorme quantité d'énergie jusqu'à ce qu'il devienne la poudre qui constitue le matériau de construction le plus répandu dans le monde. Au cœur de ce processus se trouvent le préchauffeur et le four rotatif, traitant le calcaire broyé et l'argile à des températures supérieures à 1 300 °C.

Cela représente beaucoup de chaleur… et pourtant, dans de nombreuses cimenteries, une grande partie disparaît via les gaz de combustion et la dissipation en surface – jusqu'à 40 à 45 % de ce qui est introduit. C'est là qu'intervient la récupération de chaleur résiduelle (WHR). la chaleur perdue du four et d'autres zones de l'usine peut être réutilisée, fournissant ainsi jusqu'à un tiers des besoins énergétiques de l'usine.

Dans l'industrie, il existe de nombreuses applications pour la récupération de la chaleur résiduelle, notamment la production d'électricité ou de vapeur industrielle, le chauffage et le refroidissement des locaux ou le chauffage urbain. Pourtant, c’est sans doute dans les secteurs difficiles à réduire, comme le ciment, l’acier ou la pétrochimie, que son potentiel est le plus important.

Pourtant, de nombreuses cimenteries dans le monde n’utilisent pas cette méthode économe en énergie pour réduire leurs émissions, malgré la nécessité de se décarboner tout en maintenant leur efficacité énergétique et leur rentabilité.

Cet article fait partie de la série « Future Energy Perspectives », dans laquelle des experts de Siemens Energy partagent leurs idées sur la manière dont nous pouvons évoluer vers un système énergétique décarboné.

L’industrie du ciment a du pain sur la planche : elle est le troisième consommateur industriel d’énergie et représente environ 7 % des émissions industrielles de CO2 dans le monde.

Même si le pays progresse dans la réduction de son empreinte carbone, des mesures plus agressives seront nécessaires pour atteindre les objectifs d’émissions intermédiaires et mener une transition énergétique réussie. Et même si le WHR n’est pas le seul outil permettant de réduire les émissions de CO2 dans l’industrie du ciment – ​​le captage du carbone est une autre option – c’est l’une des mesures qui rapporte le plus rapidement.

En 2021, la Global Cement and Concrete Association (GCCA) a publié une feuille de route formelle pour atteindre zéro émission nette de carbone d’ici 2050.

La feuille de route fixe un objectif intermédiaire de réduction des émissions de gaz à effet de serre de 25 % d’ici 2030 – ce qui nécessitera une action agressive de la part des producteurs au cours des deux à trois prochaines années.

Dans l’ensemble, le meilleur endroit pour capter la chaleur résiduelle dans une cimenterie sont les flux de gaz de combustion et de gaz résiduaires provenant de la tour de préchauffage et du refroidisseur de clinker. Cependant, il n’existe pas de solution universelle : pour chaque cimenterie – tout comme dans d’autres industries difficiles à réduire – les solutions WHR doivent être personnalisées. En effet, la récupération de la chaleur résiduelle dépend de divers facteurs : température de la chaleur résiduelle, composition, capacité du four et teneur en humidité des matières premières.

Une analyse détaillée est donc nécessaire avant de mettre en œuvre une solution.

Afin de déterminer le moyen le plus efficace de produire de l'électricité à partir de WHR pour le ciment, ainsi que pour les usines sidérurgiques et pétrochimiques, Siemens Energy a mené plusieurs études examinant différentes options techniques.

Ils utilisent tous une configuration similaire : ils consistent en une chaudière avec un liquide chauffé par la chaleur résiduelle jusqu'à ce qu'il crée de la vapeur chaude, qui entraîne ensuite une turbine à vapeur. Ensuite, la vapeur s'écoule vers un condenseur pour se refroidir avant d'être à nouveau pompée à travers la chaudière.

Ce qui différencie principalement ces options, c'est le support utilisé. Nos tests montrent que la méthode traditionnelle du cycle de vapeur surchauffée, avec ses températures plus élevées et sa puissance de sortie plus élevée, convient le mieux à la plupart des applications dans le ciment et même dans les aciéries.

Pourtant, les alternatives ne doivent pas être écartées. Par exemple, de plus en plus d’installations utilisent également le Cycle Organique Rankine (ORC), utilisant des fluides organiques. Son principal avantage est son efficacité élevée à des températures plus basses et le fait qu'il ne nécessite pas d'eau.