Récupération de rejets thermiques et intégration thermique dans les alumineries



L'aluminium est produit dans des cuves d'électrolyse dans lesquelles on dissout l'alumine (Al2O3) dans un électrolyte cryolitique. Le courant électrique circulant entre l'anode et la cathode de la cuve fournit l'énergie nécessaire aux réactions chimiques visant à extraire l'aluminium. Des températures typiques autour de 960 °C sont observées à l'intérieur des cuves. L'aluminium liquide s'accumule dans le fond de la cuve, d'où il peut être extrait périodiquement. C'est le procédé dit de Hall-Héroult.

Pour produire une tonne d'aluminium, il faut aujourd'hui environ de 13,5 à 14 MWh d'énergie électrique. Au Québec, les cuves les plus performantes peuvent atteindre une consommation de 13 MWh/t d'aluminium. La production annuelle totale d'aluminium au Québec est estimée à 2,8 millions de tonnes d'aluminium. Ainsi, les cuves d'électrolyse des alumineries québécoises consomment environ 37800 GWh/an, soit une proportion importante de l'électricité produite au Québec. D'autre part, la production d'aluminium est responsable de 2-3 tonnes de CO2 par tonne d'aluminium au Québec.

Or, on estime que de 40% à 50% de l'énergie électrique consommée par les cuves d'électrolyse est éventuellement perdue sous forme de rejet de chaleur, soit par les parois des cuves ou les gaz d'échappement. Ainsi, en récupérant ne serait-ce qu'une faible proportion de la chaleur rejetée par les cuves d'électrolyse, on peut significativement améliorer l'efficacité énergétique des alumineries et par le fait même, réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) de la province.

L'objectif principal du projet était de réduire la consommation d'énergie et les émissions de GES des alumineries en récupérant les rejets thermiques et en favorisant l'intégration thermique des alumineries.

Un inventaire des sources de chaleur et des besoins en chaleur dans une aluminerie type a été réalisé. Les rejets ont été caractérisés en termes de température, taux de transfert thermique et forme. Dans un souci d'utilisation directe de la chaleur, les couplages optimaux entre les sources et les besoins en chaleur ont été établis en considérant la distance entre eux et la thermodynamique. En outre, une analyse exergétique complète d'une aluminerie a été réalisée, afin d'établir le potentiel théorique de production d'électricité à partir des rejets et les procédés qui détruisaient ce potentiel. On a montré que la production d'électricité à partir des différents gaz d'échappement pourrait représenter environ 4% de l'apport électrique.

Différents modèles ont été développés pour étudier des façons d'augmenter la qualité (température) des rejets thermiques des cuves. Diverses stratégies ont été simulés de manière à obtenir des gaz plus chauds, et ce, en préservant l'équilibre thermique des cuves. Une stratégie intéressante, malgré les défis qu'elle pose, est la réduction du taux de ventilation des cuves. En soi, cette approche permettrait de réduire la consommation électrique des ventilateurs.

Divers concepts d'utilisation de la chaleur des rejets thermiques ont été étudiés à partir de modèles. Il s'agit de la préchauffe des anodes, de la préchauffe de l'alumine, de la production de puissance électrique et de la capture du carbone. Concernant cette dernière utilisation de la chaleur, elle permet en outre de réduire les émissions de GES. Une usine de capture du CO2 pour les alumineries a été modélisée et optimisé d'un point de vue techno-économique. La capture du CO2 entraîne un surcoût variant de 50$ à 100$ par tonne de CO2 évité selon les scénarios testés.

Les retombées du projet sont de divers ordres. D'abord, le projet a permis de faire avancer l'état des connaissances sur la problématique des rejets thermiques des alumineries. Plusieurs des résultats obtenus pourront être utilisées par l'industrie pour réduire sa consommation énergétique et sa trace environnementale, de même que dans l'élaboration de sa planification stratégique. En outre, le projet a permis de mettre en évidence les principaux freins au déploiement de stratégies de récupération thermique dans les alumineries qui constituent autant de piste de recherche pour le futur.

Chercheur responsable

Louis Gosselin, Université Laval

Équipe de recherche

  • Carl Duchesne, Université Laval
  • Mario Fafard, Université Laval
  • Donald Ziegler, Alcoa

Durée

2010-2013

Montant

211 689 $

Partenaires financiers

  • Fonds québécois de la recherche sur la société et la culture
  • Ministère du Développement économique, de l'Innovation et de l'Exportation

Appel de propositions

Réduction et séquestration des gaz à effet de serre