Projet H2020 I-ThERM : Gestion de la conversion et de la récupération d'énergie thermique industrielle
- Taper Projet
- État Rempli
- Exécution 2015 -2021
- Budget alloué 3.996.168,75 €
- Portée Europeo
- Principale source de financement H2020
- Site Web du projet Proyecto I-ThERM
Au cours du projet I-ThERM, leur coordination et leur gestion ont permis de garantir que toutes les activités répondaient aux exigences de portée, de rapidité et de qualité. La synergie entre les partenaires a été obtenue grâce à une communication et un échange d’informations réguliers, et les activités de diffusion comprenaient des conférences et des ateliers internationaux, la participation à des événements internationaux, tels que l’événement SPIRE à Bruxelles, des publications scientifiques et des documents imprimés, ainsi que des publications régulières sur les médias sociaux et le site Web du projet.
Le potentiel de récupération de chaleur dans l’Union européenne a été évalué au moyen d’une revue de la littérature qui a identifié et quantifié la consommation d’énergie primaire dans les principaux secteurs industriels, pris en compte les flux de chaleur résiduelle et leurs niveaux de température, et envisagé les technologies potentielles de récupération d’énergie. En outre, les obstacles à la mise en œuvre généralisée des technologies de récupération d’énergie ont été identifiés grâce à un questionnaire distribué à environ 50 experts de 11 pays européens. La boîte à outils d’audit énergétique EINSTEIN a été améliorée pour inclure les technologies I-ThERM. Des routines ont été développées et mises en œuvre pour analyser automatiquement les données de surveillance historiques, calibrer les modèles, prévoir la consommation d’énergie et optimiser les performances du système. Ces capacités ont été complétées par la plateforme innovante de supervision, de surveillance et de contrôle I-ThERM. Le projet I-ThERM comprend la conception, la fabrication et la démonstration de systèmes de récupération de chaleur par échappement direct utilisant des échangeurs de chaleur innovants.
L'économiseur à condensation par caloduc (HPCE) permet de refroidir les gaz d'échappement en dessous de leur point de rosée pour améliorer la récupération de chaleur. C'est pourquoi des revêtements innovants ont été développés pour la protection contre la corrosion dans les environnements caractérisés par la présence d'acide sulfurique. Un système HPCE de 200 kW a été conçu en termes de conception thermique et mécanique, d'application de revêtement de caloduc lors de la fabrication à grande échelle, d'instrumentation et de contrôle. Le système de caloducs plats (FHPS) vise à récupérer la chaleur des surfaces radiantes à haute température. Un prototype de module FHPS a été conçu, fabriqué et testé, d'abord dans les laboratoires de R&D, puis dans les installations de laminoir à fil machine d'Arcelor Mittal Gijón (Espagne). L'ensemble de données expérimentales a permis l'étalonnage des outils de conception et a proposé une conception FHPS modulaire améliorée avec un nombre plus élevé de modules et un revêtement à haute émissivité. Le projet I-ThERM considère également la conversion de la chaleur perdue en électricité en utilisant deux nouveaux cycles thermodynamiques de fond : le cycle flash trilatéral (TFC) pour les applications à faible teneur (70 à 200°C) et le cycle de Brayton fonctionnant avec du dioxyde de carbone supercritique (sCO2) pour les températures moyennes à élevées. Une unité TFC à grande échelle de 100 kW a été conçue grâce à des activités de modélisation complexes pour évaluer les performances de conversion d'énergie, même dans des conditions de fonctionnement hors conception et transitoires.
Le système TFC développé présente un haut niveau de maturité technologique. Il se caractérise par une conception compacte et une électronique de puissance pour la connexion au réseau électrique européen. Le système TFC a subi des tests supplémentaires au centre technologique de Spirax Sarco (Royaume-Uni) et a ensuite été démontré avec succès dans l'usine de TATA Steel à Port Talbot (Royaume-Uni). Le centre de démonstration du système CO2 ? Il s'agit d'un banc d'essai à l'échelle industrielle à l'Université Brunel de Londres, spécialement conçu pour le projet I-ThERM. L'installation expérimentale comprend un réchauffeur à gaz de 800 kW générant des gaz d'échappement à une température de 750 °C et un système compact intégrant l'unité Compresseur-Générateur-Turbine (CGT) et des équipements auxiliaires pour la lubrification, le drainage et la conversion d'énergie électrique. Le système sCO2 utilise également un échangeur de chaleur de récupération de chaleur d'échappement innovant qui a été développé et installé dans le conduit d'échappement du réchauffeur et transfère la chaleur directement au fluide de travail CO2 du système d'alimentation sCO2.
Dans l’Union européenne, les processus industriels sont actuellement responsables d’un tiers de la consommation d’énergie primaire. Cependant, la plupart de ces processus impliquent la libération de grandes quantités de chaleur dans l’environnement, dont la récupération, sous forme de chaleur ou de conversion en une autre forme d’énergie, comme l’électricité, peut réduire la demande énergétique, générer des économies de coûts de carburant et contribuer à atteindre les objectifs de réduction des émissions et de décarbonisation. Ces dernières années, le potentiel de la récupération de chaleur est de plus en plus reconnu et une expansion significative de ce secteur est prévue.
Toutefois, pour que cela se concrétise et que les industries manufacturières et utilisatrices européennes puissent bénéficier de ces avancées, des améliorations et des innovations technologiques sont nécessaires pour améliorer l’efficacité énergétique des équipements de récupération de chaleur et réduire les coûts d’installation. Dans ce contexte, les objectifs du projet I-ThERM sont de rechercher, concevoir, construire et démontrer des solutions innovantes et clés en main de récupération de chaleur résiduelle et d'utilisation optimale de l'énergie à l'intérieur et à l'extérieur du périmètre de l'usine pour des applications sélectionnées avec une reproductibilité élevée et un potentiel de récupération d'énergie sur une large plage de température (de 70°C à 1000°C).
Les systèmes de récupération de chaleur perdue peuvent offrir des économies d’énergie importantes et des réductions substantielles des émissions de gaz à effet de serre. Le marché de la récupération de chaleur résiduelle devrait dépasser 45 milliards d’euros d’ici 2018, mais pour que cette projection se concrétise et que les industries manufacturières et utilisatrices européennes bénéficient de ces avancées, des améliorations et des innovations technologiques doivent être réalisées pour améliorer l’efficacité énergétique des équipements de récupération de chaleur et réduire les coûts d’installation. L'objectif global du projet est de développer et de démontrer des technologies et des procédés pour une récupération de chaleur efficace et rentable des installations industrielles dans la plage de température de 70°C à 1000°C et l'intégration optimale de ces technologies avec le système énergétique existant ou pour l'exportation de la chaleur récupérée et de l'électricité produite, le cas échéant.
Pour atteindre cet objectif ambitieux et garantir une application généralisée des technologies et approches développées, le projet rassemble un consortium très solide composé de fournisseurs de RTD, de fournisseurs de technologies et, surtout, de grands utilisateurs et de PME qui fourniront des sites de démonstration pour les technologies.
Le projet se concentrera sur les technologies innovantes de transfert de chaleur biphasé (caloducs HP) pour la récupération de chaleur à partir de sources de température moyenne et basse et l'utilisation de cette chaleur pour :
- Au sein de la même installation ou exportation par-dessus la clôture.
- Pour la production d’énergie électrique ; ou une combinaison de (a) et (b) selon les besoins.
Pour la production d'électricité, le projet développera et démontrera sur des sites industriels le système Trilateral Flash (TFC) pour les sources de chaleur résiduelle à basse température, de 70°C à 200°C, et le système Supercritical Carbon Dioxide (sCO2) pour les températures supérieures à 200°C. Ces technologies, utilisées seules ou en combinaison avec les technologies HP, devraient générer des économies d’énergie et d’émissions de GES bien supérieures à 15 % et des rendements économiques intéressants avec des périodes de retour sur investissement inférieures à 3 ans.
L’objectif du projet I-ThERM est de développer et de démontrer des technologies de récupération de chaleur qui surmontent de nombreux inconvénients des technologies conventionnelles et ouvrent la voie à une adoption beaucoup plus large de la récupération de chaleur dans l’industrie. Des avancées significatives ont été réalisées qui dépassent l’état de l’art, à savoir :
- La boîte à outils EINSTEIN a été améliorée pour inclure les technologies I-ThERM, ainsi que des capacités de surveillance et d'optimisation en ligne. - Un système de conversion de chaleur en électricité à faible consommation d'énergie, prêt à l'emploi, a été conçu, construit et testé avec succès dans une usine sidérurgique. Les résultats ont servi de base à un développement ultérieur et la première unité a été vendue à un client commercial. Un plan marketing détaillé a été élaboré pour la commercialisation de la technologie TFC.
- Une unité de compresseur, générateur et turbine (CGT) montée sur arbre d'environ 50 kW pour la conversion de chaleur en électricité à haute température fonctionnant au dioxyde de carbone supercritique a été conçue et fabriquée.
Un échangeur de chaleur à microtubes innovant a été conçu et fabriqué pour la récupération directe de chaleur des gaz d'échappement à haute température en CO2 supercritique dans le cycle énergétique du CO2. Un cycle de production d'énergie au CO2 de 50 kW et les équipements associés pour les tests, l'évaluation et l'optimisation ont été conçus, fabriqués et mis en service. Un économiseur à condensation à caloduc a été conçu pour capturer la chaleur sensible et latente des gaz d'échappement corrosifs. La conception du système de caloduc plat a été optimisée grâce à des campagnes de tests sur un prototype de laboratoire et sur le site de démonstration réel. Des revêtements pour la protection contre la corrosion dans des environnements caractérisés par la présence d'acide sulfurique ont été développés et démontrés et évalués avec succès.
Des connaissances approfondies sont en cours de développement concernant les systèmes de récupération de chaleur et la conversion de la chaleur perdue en énergie. La création de ces connaissances et leur diffusion auprès des communautés scientifiques et industrielles, ainsi qu’auprès des décideurs politiques, génèrent une plus grande prise de conscience du potentiel de ces technologies et facilitent leur adoption par l’industrie, contribuant ainsi aux objectifs de décarbonation de l’UE.
- BRUNEL UNIVERSITY LONDON
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