3 ans de recherche pour développer Heat2Power®, l’outil de récupération de chaleur

Heat2Power® est un outil innovant développé par l’Institut Luxembourgeois des Sciences et Technologies (LIST) en collaboration avec la Fondation ArcelorMittal Luxembourg. Il permet aux entreprises de valoriser la chaleur perdue en énergie électrique précieuse.

Le LIST, dont la vocation est de transférer des solutions scientifiques et innovantes aux acteurs économiques et industriels, apporte son expertise aux équipes opérationnelles des sites industriels d’ArcelorMittal au Luxembourg depuis quatre ans. Leur collaboration, centrée autour du concept de «Forge», permet de développer et tester des idées et des pistes de projets dans le cadre du processus de transition d’ArcelorMittal vers une production d’acier circulaire et décarbonée.

L’accord de collaboration, signé en octobre 2019, a permis aux deux organisations d’échanger des idées et de développer de nouveaux concepts, aboutissant à la création de Heat2Power®. Cet outil vise à optimiser la récupération de chaleur perdue lors du processus de production, améliorant ainsi l’efficacité énergétique et la décarbonation des usines.

Dans le cadre du projet Heat2Power financé par le Fonds National de la Recherche, LIST et ArcelorMittal ont collaboré pour aborder la récupération de chaleur pour la production de vapeur et d’électricité.

Des méthodes d’intégration de processus et d’optimisation mathématique, tenant compte des contraintes de production rencontrées dans la sidérurgie, ont été mises en place pour sélectionner les meilleurs schémas de récupération, de transfert et de valorisation de la chaleur. Ces approches ont ensuite été structurées sous forme de logiciel d’optimisation pour maximiser la production d’électricité et de vapeur pour une usine entière.

Récupération de chaleur et production d’énergie

La récupération de chaleur est un concept bien établi qui consiste à extraire la chaleur perdue des processus industriels et à l’utiliser à d’autres fins.

Dans le cas d’ArcelorMittal et d’industries similaires, les eaux de refroidissement et les gaz résiduaires produits lors de divers processus thermiques sont des sources majeures de chaleur, jusqu’à présent gaspillées dans l’environnement. La chaleur peut être récupérée par des échangeurs de chaleur, permettant ainsi de transférer l’énergie sous forme d’eau chaude ou de vapeur à d’autres processus de l’usine.

La production d’énergie implique l’utilisation de turbines pour convertir l’eau ou la vapeur sous pression en électricité. Les turbines fonctionnent sur le principe de l’expansion, où le fluide chauffé (eau, CO2 ou un fluide organique) passe à travers la turbine, provoquant sa rotation et générant de l’électricité. L’électricité peut ensuite être utilisée pour alimenter divers processus industriels ou injectée dans le réseau.

Comment fonctionne Heat2Power® ?

Heat2Power® optimise le processus de récupération de chaleur en utilisant des technologies spécifiques à différents niveaux de pression. Le cœur de l’outil réside dans ses données technologiques spécifiques (turbines à vapeur standard, différents types de turbines à cycles organiques de Rankine) et son algorithme d’optimisation sophistiqué qui prend en compte de nombreuses variables et paramètres pour déterminer les solutions les plus efficaces et économiquement viables.

«Ce qui rend ce projet intéressant et important, c’est sa complexité, qui implique un large éventail de variables à prendre en compte. Par exemple, dans le modèle de base que nous examinons, qui concerne les processus d’ArcelorMittal au Luxembourg, il y a environ 600 000 variables à quantifier. Le défi réside dans le fait qu’en tant qu’ingénieur ou groupe d’ingénieurs, il n’est pas possible de calculer manuellement et de déterminer la meilleure solution en passant en revue l’ensemble des solutions», explique Alexandre Bertrand, chercheur au LIST.

Pour résoudre ce problème, l’équipe de chercheurs a utilisé des méthodes d’intégration de processus et de programmation mathématique. «En exploitant ces techniques, nous pouvons gérer efficacement la complexité associée aux nombreuses variables, avec pour objectif de concevoir et de sélectionner des valeurs optimales pour toutes les variables impliquées», ajoute-t-il. « Par exemple, lors de la mise en œuvre de la récupération de chaleur, nous devons prendre en compte des facteurs tels que le type de technologie, le niveau de pression et la taille de l’équipement.« 

C’est là qu’intervient Heat2Power®.

Le logiciel identifie les meilleures combinaisons de technologies et de conditions de fonctionnement pour atteindre une efficacité et une rentabilité maximales afin de récupérer la chaleur perdue et de la convertir en énergie.

L’outil dispose d’une interface intuitive dans laquelle les utilisateurs saisissent des données concernant leurs flux de chaleur perdue, les valeurs économiques et d’autres paramètres pertinents. Il traite ensuite ces données à travers l’algorithme pour fournir aux utilisateurs la conception optimisée du système.

Enfin, l’utilisateur peut affiner manuellement les résultats, en utilisant l’outil comme un calculateur d’énergie et de coûts.

En synthèse

Après trois ans de recherche et de développement, Heat2Power® est sur le point d’être déployé en tant que logiciel en tant que service (SaaS) et promet d’optimiser la transformation de la chaleur perdue en une ressource énergétique précieuse, contribuant à un avenir plus vert et durable pour les processus industriels.

«La chaleur perdue est une pièce du puzzle de la décarbonation. Avec Heat2Power®, les ingénieurs de processus disposent d’un outil qui aborde la complexité inhérente à de tels projets, les aidant à tirer le meilleur parti de leur énergie excédentaire», conclut Bertrand.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que Heat2Power® ?

Heat2Power® est un outil innovant développé par l’Institut Luxembourgeois des Sciences et Technologies (LIST) en collaboration avec la Fondation ArcelorMittal Luxembourg. Il vise à optimiser la récupération de chaleur perdue lors du processus de production, améliorant ainsi l’efficacité énergétique et la décarbonation des usines.

2. Comment fonctionne la récupération de chaleur ?

La récupération de chaleur consiste à extraire la chaleur perdue des processus industriels et à l’utiliser à d’autres fins. La chaleur peut être récupérée par des échangeurs de chaleur, permettant ainsi de transférer l’énergie sous forme d’eau chaude ou de vapeur à d’autres processus de l’usine.

3. Comment l’énergie est-elle produite à partir de la chaleur récupérée ?

La production d’énergie implique l’utilisation de turbines pour convertir l’eau ou la vapeur sous pression en électricité. Les turbines fonctionnent sur le principe de l’expansion, où le fluide chauffé passe à travers la turbine, provoquant sa rotation et générant de l’électricité.

4. Quelles sont les principales caractéristiques de Heat2Power® ?

Heat2Power® utilise des technologies spécifiques à différents niveaux de pression et un algorithme d’optimisation sophistiqué qui prend en compte de nombreuses variables et paramètres pour déterminer les solutions les plus efficaces et économiquement viables.

5. Quels sont les avantages de Heat2Power® pour les industries ?

Heat2Power® permet d’optimiser la transformation de la chaleur perdue en une ressource énergétique précieuse, contribuant à un avenir plus vert et durable pour les processus industriels.