L’avenir efficace de l’industrie du verre est ‘tout électrique’

Sans manquer de respect pour les développements passés de la conception des fours et les grandes réalisations qui ont été réalisées, ils sont pour la plupart encore basés sur la technologie d’origine. Les fours traditionnels à orifices latéraux et d’extrémité sont une technologie éprouvée qui a été développée et optimisée pour atteindre un niveau d’efficacité, de faibles émissions et une durée de vie qui ne peuvent tout simplement pas être améliorés davantage. Depuis que le niveau d’efficacité est tombé à 2,4 MWh/tonne vers 1990, aucune amélioration importante n’a été réalisée. Par conséquent, les réductions supplémentaires des émissions de CO2 et de NOx ont également ralenti pour s’arrêter. La combustion oxy-combustible, le préchauffage batch, la récupération de chaleur perdue, les brûleurs immergés… sont de grandes avancées mais le bilan reste le même : ils augmentent tous la complexité du système de fusion et les CAPEX, n’évitent pas les émissions de CO2, et en la plupart des cas ne peuvent plus réduire les émissions de NOx. L’utilisation de combustibles fossiles est devenue le problème fondamental et la technologie ne peut pas résoudre ces problèmes suffisamment.

Comme beaucoup d’autres matières premières, dès que l’on commence à croire que les ressources touchent à leur fin, on en trouve de nouvelles. Cela vaut également pour les combustibles fossiles. Alors pourquoi devrions-nous même commencer à envisager de se détourner des combustibles fossiles ? La science a prouvé que les émissions de CO2 sont liées au réchauffement climatique, ce qui entraînera probablement de graves problèmes environnementaux pour l’humanité. La législation, les clients et le bon sens forceront l’industrie à s’éloigner tôt ou tard de l’utilisation des combustibles fossiles. D’ici 2050, l’UE vise à réduire les émissions de gaz à effet de serre à 80 % par rapport aux niveaux de 1990. Les jalons pour y parvenir sont des réductions d’émissions de 40 % d’ici 2030 et de 60 % d’ici 2040. Tous les secteurs doivent y contribuer. Un célèbre brasseur de bière néerlandais1 fait de gros efforts pour réduire son empreinte carbone et estime que 53 % de celle-ci est liée à ses matériaux d’emballage. La pression pour réduire les émissions vient de plusieurs côtés. Quel que soit le côté avec lequel nous sommes d’accord ou en désaccord, cela aura un impact sur la façon dont le verre sera fondu à l’avenir.

La plupart des technologies des fours de fusion du verre remontent à 100 ans ou plus. Au fil des ans, différents développements ont conduit à d’énormes améliorations de l’efficacité énergétique et des émissions, et de nombreux fournisseurs de fours travaillent toujours sur des améliorations, forcés par le fait que l’énergie fossile reste bon marché. Cependant, cela changera, et probablement beaucoup plus rapidement que beaucoup d’entre nous ne le pensent. Comme mentionné précédemment, la plupart de ces améliorations impliquent une technologie plus complexe qui entraîne une maintenance et un CAPEX supplémentaires, l’utilisation de produits chimiques non respectueux de l’environnement et des limitations de la durée de vie des équipements. La plupart des fonderies de verre perçoivent leur processus de fusion comme suffisamment complexe et ne souhaitent pas le modifier davantage. Ils souhaitent se concentrer sur leur cœur de métier, sans les problèmes de gestion et de maintenance d’installations industrielles complexes nécessitant un personnel technique important. Garder le système simple a été un argument clé pendant de nombreuses décennies. Maintenant que le monde qui nous entoure semble changer rapidement, nos efforts pour allonger la durée de vie des fours jusqu’à +15 ans jouent contre nous. En fait, la plupart des fabricants de verre n’ont qu’une occasion tous les 10 à 15 ans d’introduire un nouveau processus de fusion innovant, il n’est donc pas surprenant que devoir vivre avec cette décision pendant les 15 prochaines années les rende extrêmement réticents au risque. Qui peut les blâmer ? Cela me rappelle un commentaire d’un de nos clients : « En Dieu nous avons confiance, mais ici il faut venir avec des faits ». La recherche et le développement technologiques doivent fournir des preuves d’améliorations, sinon la politique nous oblige à nous fier aux attentes.

La technologie des fours chauffés électriquement est presque aussi ancienne que la technologie des fours régénératifs. En fait, le premier brevet de four sur la fusion électrique a été délivré à Sauvageon en France, en 1907. Un premier four à voûte froide a fonctionné en Norvège de 1920 à 1925 en utilisant des électrodes de carbone et Cornelius en Suède avait des fours en fonctionnement dès 1925, produisant de l’ambre et verre vert. En 1952, l’industrie a commencé à utiliser des électrodes en molybdène2, et vers 1975, les SCR (thyristors) à courant élevé sont devenus disponibles, ce qui a conduit au principe des systèmes de suralimentation de four à semi-conducteurs que nous connaissons aujourd’hui. La plupart des fours traditionnels modernes à conteneurs, à fibres et à flotteur sont désormais équipés d’un survoltage électrique du four, contribuant de 10 à 50 % de la puissance de fusion.

Même au début, l’efficacité de fusion tout électrique à 4,4 GJ/tonne4 (1,3 MWh/tonne) était déjà proche des fours à combustible fossile les plus efficaces d’aujourd’hui à 4 GJ/tonne (1,1 MWh/tonne). Depuis l’introduction des fournaises entièrement électriques, d’énormes améliorations de l’efficacité ont été réalisées, réduisant les niveaux de consommation d’énergie à 2,8 GJ/tonne (0,78 MWh/tonne) (20 % de calcin) ou moins3. La consommation électrique ne devrait pas descendre en dessous de 2,6 GJ/tonne (0,72 MWh/tonne). La majeure partie de l’énergie électrique finit de toute façon dans le processus de fusion et seules des pertes d’énergie relativement faibles proviennent des transformateurs, des barres omnibus et de l’efficacité de contrôle. Par rapport au chauffage traditionnel aux combustibles fossiles à 4 GJ/tonne (1,1 MWh/tonne), la consommation d’énergie est d’environ 35 % inférieure.

Un four électrique est naturellement facile à contrôler et à entretenir, mais il est important de prendre en compte l’ingénierie du système électrique parallèlement à la conception du four. Comme un système de brûleur pour un four traditionnel, le système électrique n’est pas un sous-système mais doit faire partie de la conception totale et doit être entièrement intégré. Réunir la charpente métallique, les réfractaires, les câbles, les barres omnibus, les électrodes, les transformateurs et le contrôle dans une seule conception est essentiel pour le succès de l’efficacité de l’ensemble du système.

Comparés aux systèmes de fonderie à combustible fossile à haut rendement, les fours tout électriques sont sophistiqués mais très simples en termes de conception. Des régénérateurs ou des patins de brûleur ne sont pas nécessaires et des couronnes coûteuses à haute température ne sont pas nécessaires. Des taux de traction plus élevés peuvent être obtenus sans aucun problème. Aucune émission thermique de CO2, de NOx ou de SOx liée à la combustion n’est libérée. Il se produira potentiellement moins d’évaporation de matières premières volatiles et coûteuses, telles que le bore et le lithium, etc., ce qui rend le filtrage des gaz d’échappement beaucoup plus facile. De plus, le problème de transfert disparaîtra presque. Des fours plus petits pourraient être envisagés, par exemple, un four qui alimente un avant-foyer qui alimente une machine IS, pourrait devenir un nouveau concept pour la fabrication de bouteilles.

Bien que les concepts de fours tout électriques soient très simples en principe, il y a certaines implications à considérer lors du passage à cette technologie. A température ambiante, le verre ou les compositions de verre sont des isolants électriques. Afin de démarrer le processus de chauffage électrique, il doit exécuter une séquence de préchauffage similaire à la méthode utilisée dans les fours à conteneurs et à flotteur. Un four tout électrique a également besoin d’un réseau électrique stable et fiable, et en raison des différents comportements de fusion et d’affinage, la composition du verre doit être modifiée. Les tarifs de l’électricité doivent baisser et, afin de réduire l’empreinte carbone, l’électricité devrait provenir d’énergies renouvelables au lieu de centrales électriques au charbon. Les électrodes doivent être entretenues en les faisant avancer au cas où l’usure entraînerait une résistance plus élevée. Il existe de nouvelles méthodes pour contrer l’usure des électrodes, qui devraient être étudiées plus avant. Un autre problème, en particulier pour l’industrie des conteneurs, pourrait être de savoir comment ce type de four traiterait des quantités extrêmement élevées de calcin, ce qui peut entraîner différentes manières de gérer le calcin et le lot.

Les tarifs de l’électricité sont fortement liés à la disponibilité et le marché de l’énergie électrique évolue rapidement. Les fournisseurs et les services publics subventionnés par des subventions gouvernementales investissent dans l’éolien, la biomasse et la production d’énergie solaire. Les citoyens investissent également dans des panneaux solaires au lieu de garder leur argent à taux zéro dans les banques. Des mots à la mode tels que « réseau intelligent », « ajustement des tarifs », « écrêtement des pics » et « contrôle de fréquence » sont devenus des termes familiers, et il est reconnu que de l’argent peut être économisé si notre système de consommation d’énergie électrique devient plus flexible. Afin de réduire le risque de panne totale du réseau, certains services publics offrent de l’argent pour contrôler d’énormes charges industrielles, afin de pouvoir les éteindre temporairement en cas de besoin. Plus raffinée est la méthode de contrôle de la fréquence du réseau (Dynamic Fractional Frequency Reuse) en ajustant la consommation d’énergie de certains gros consommateurs d’énergie. Fondamentalement, les consommateurs d’énergie électrique sont récompensés financièrement s’ils mettent une partie de leur système de consommation d’énergie électrique à disposition pour le contrôle de l’alimentation à distance. Une demande de puissance de pointe plus faible peut entraîner une baisse des tarifs. Dans ce cas, un système de gestion de charge dynamique capable de contrôler des parties du système électrique pour garantir que les niveaux de puissance de pointe convenus ne sont pas dépassés, réduira le coût global de l’énergie électrique.

Un four à verre contenant une énorme quantité de verre fondu peut ou devrait être en mesure d’offrir la flexibilité nécessaire pour profiter de ces récompenses, subventions et tarifs d’électricité inférieurs. La fabrication de verre, faisant partie de la communauté des gros consommateurs d’énergie et du marché de l’énergie en évolution rapide, doit rechercher des conceptions de fours qui correspondent mieux aux exigences d’aujourd’hui et de demain. Une analyse de données sophistiquée et des stratégies de contrôle (basées sur un modèle) devraient aider les opérateurs à calculer la liberté de contrôle disponible, les fluctuations d’énergie de fusion admissibles, les fluctuations admissibles du rapport fossile/électricité et à prédire l’impact sur la qualité du verre. L’essentiel est qu’il n’y a pas d’échappatoire pour sortir des sentiers battus et s’éloigner de la tradition.

En tant que fournisseur de systèmes de contrôle de processus et d’alimentation électrique dans ce secteur depuis plus de 50 ans, nous considérons que nous comprenons parfaitement les exigences et les préoccupations de l’industrie du verre. Depuis plusieurs années maintenant, nous promouvons l’efficacité, les avantages financiers et environnementaux du passage au chauffage électrique et avons récemment été témoins d’un intérêt et d’une croissance élevés pour nos systèmes d’alimentation électrique contrôlés par SCR. Le passage au tout électrique ne se fera pas du jour au lendemain, mais l’industrie commence à écouter et à accepter les implications de ne pas démarrer. Nous restons fidèles à notre intuition selon laquelle l’avenir efficace de l’industrie du verre sera entièrement électrique, et nous réfléchissons à ce qui doit être fait pour parvenir à terme à ce changement conceptuel. Faites-nous part de vos commentaires et impliquez-nous peut-être dans vos discussions internes sur les alimentations électriques et les systèmes de contrôle de chauffage avec d’autres facilitateurs et innovateurs pour que cela se produise : il n’y a pas d’échappatoire et rappelez-vous, le tout électrique existe depuis plus de 100 ans déjà.