Un punto di riferimento per il recupero del calore residuo ad alta efficienza energetica

Il Gruppo Aurubis ha adottato proprio questo approccio per migliorare la sostenibilità in una delle sue fonderie. In collaborazione con il fornitore di energia tedesco Enercity Aktiengesellschaft, Aurubis è diventata la forza trainante di una rete di teleriscaldamento che serve il quartiere HafenCity di Amburgo. L'energia per la rete proviene dal calore di scarto che Aurubis recupera dal vicino impianto di acido solforico, utilizzando l'esclusiva tecnologia degli scambiatori di calore a piastre Alfa Laval, progettata per resistere alla corrosione e sopportare l'alta pressione e il calore estremo associati al processo.

Il Gruppo Aurubis, uno dei maggiori produttori e riutilizzatori di rame al mondo, gestisce una grande fonderia sull’isola di Peute, situata nel fiume Elba, nel cuore di Amburgo. Il gas di anidride solforosa è un sottoprodotto del processo pirometallurgico del rame qui utilizzato. Nell'impianto dell'acido solforico questo gas viene convertito prima in triossido di zolfo e successivamente in acido solforico liquido. L'acido solforico è continuamente diluito nel processo. La diluizione dell'acido è un processo altamente esotermico, che rilascia quantità significative di calore. Grazie agli ascambiatori di calore a piastre guarnizionate di Alfa Laval, questo calore può essere recuperato da Aurubis per l'utilizzo nel teleriscaldamento.

La produzione di acido solforico avviene nell’impianto di contatto della fonderia. Nel cuore dell'impianto si trova una torre di assorbimento intermedia. Il calore di diluizione di questo passaggio veniva originariamente raffreddato con l'acqua del fiume Elba e quindi lasciato inutilizzato. Lo scopo del progetto di collaborazione di Aurubis con Enercity era quello di utilizzare scambiatori di calore per recuperare energia da questo processo e di riutilizzare tale energia in modo sostenibile incanalandola nella rete di teleriscaldamento di HafenCity.

Elevati requisiti in termini di progettazione e materiali delle apparecchiature

La sfida preliminare di Aurubis era che l’acqua calda utilizzata in questo tipo di sistema di teleriscaldamento dovesse avere una temperatura iniziale di almeno 90°C. Di conseguenza, hanno dovuto iniziare costruendo una torre di assorbimento intermedia completamente riprogettata, aumentando la temperatura di processo dell'acido solforico concentrato a circa 120°C, un aumento di temperatura di quasi 50°C.

Tuttavia, questa nuova torre di assorbimento intermedio ha aggiunto ulteriori complicazioni al già impegnativo disegno di progettazione di un sistema di recupero del calore che coinvolge una sostanza impegnativa come l’acido solforico. La temperatura di processo più elevata ha aumentato sostanzialmente la corrosività del mezzo.

Ciò ha rappresentato una sfida particolarmente difficile per gli scambiatori di calore del progetto, che dovevano essere costruiti con materiali altamente resistenti alla corrosione oltre a essere in grado di gestire pressioni e temperature elevate e offrire prestazioni termiche estremamente elevate per garantire un scambio termico efficiente dal processo Aurubis alla rete di teleriscaldamento.

Uno scambiatore di calore all’altezza della sfida

Aurubis ha contattato Alfa Laval, che ha collaborato con il produttore di rame per progettare scambiatori di calore a piastre personalizzati, completamente adattati all'ambiente di processo esigente. Il sistema finale era composto da otto scambiatori di calore caratterizzati da un design all'avanguardia delle piastre a canali. Tre degli scambiatori di calore - i raffreddatori intermedi della torre ad assorbimento - erano unità semisaldate, realizzate in materiale Hastelloy D-205, una lega a base di nichel particolarmente resistente alla corrosione dell'acido solforico. Il D-205 ha fornito prestazioni comprovate in molti stabilimenti di acido solforico in tutto il mondo sin dagli anni '90. Con più di 300 unità D-205 installate in tutto il mondo, questo materiale collaudato è stata la scelta ovvia per garantire un funzionamento affidabile, sicuro ed efficiente. I restanti cinque scambiatori di calore del sistema sono scambiatori di calore a piastre guarnizionati: tre scambiatori di calore acqua-acqua e due scambiatori acido-acido.

A differenza dei tradizionali scambiatori di calore a piastre guarnizionati, il design semisaldato di Alfa Laval è in grado di resistere alla fatica meccanica in applicazioni con pressioni e temperature di progetto elevate. L'esclusivo design della piastra garantisce inoltre un'efficienza termica molto elevata, con un approccio alla temperatura fino a 3°C. Ciò significa che l'acqua utilizzata per trasferire il calore alla rete di teleriscaldamento può lasciare lo scambiatore di calore solo pochi gradi più fredda dell'acido caldo che entra nell'unità.

Inoltre, gli scambiatori di calore a piastre sono più compatti e consentono un'installazione più semplice ed economica in una frazione dello spazio.

Migliorare la sostenibilità su più dimensioni

Aurubis utilizza circa un quarto del calore recuperato dal processo di conversione del biossido di zolfo per supportare altri processi nella fonderia. Il resto del calore, corrispondente a circa 160.000 MWh di energia, viene immesso attraverso la conduttura del teleriscaldamento verso il quartiere HafenCity di Amburgo. In questo caso, l’efficienza termica della soluzione di scambiatori di calore Alfa Laval diventa particolarmente importante. Poiché HafenCity si trova dall'altra parte dell'Elba rispetto all'isola Peute, il percorso del teleriscaldamento è lungo più di tre chilometri. Ogni grado di calore recuperato dal processo è quindi fondamentale.

Le stime attuali indicano che, oltre a quello utilizzato da Aurubis presso il sito dell'impianto, il calore recuperato fornisce fino a 8.000 famiglie di quattro persone, nonché uffici della zona, hotel e un'università. Poiché il calore recuperato ha un’impronta di carbonio effettiva pari a zero, il progetto riduce le emissioni di CO₂ di 20.000 tonnellate all’anno, metà delle quali presso la stessa Aurubis. Un ulteriore vantaggio è che Aurubis non ha più bisogno di fare affidamento sull’acqua di raffreddamento prelevata dal fiume Elba, con ulteriori benefici per l'ambiente.

L’Agenzia tedesca per l’energia ha riconosciuto il progetto come “un faro per l’utilizzo efficiente del calore di scarto”. E c’è ancora del potenziale per fare ancora di più. Attualmente solo una delle tre linee dell’impianto Aurubis Contact fornisce calore di scarto industriale a HafenCity, il che significa che potenzialmente possono ancora essere recuperati 480.000.000 di kWh. In futuro, ciò potrebbe comportare una riduzione di 140.000 tonnellate all’anno delle emissioni di CO₂.