Les PRM et l’avenir de l’acier durable

Les centrales nucléaires de nouvelle génération sont de plus en plus petites, présentent des caractéristiques de sécurité améliorées et utilisent de nouvelles techniques de construction. La nouvelle vague de réacteurs nucléaires, appelés petits réacteurs modulaires (PRM), représente une occasion transformatrice pour l’industrie sidérurgique d’atteindre une décarbonisation profonde.

De nos jours, l’élaboration de l’acier transitionne vers un procédé électrifié avec des fours électriques à arc et des fours de fusion électriques qui nécessitent une quantité importante d’électricité propre pour permettre une production d’acier à faibles émissions de gaz à effet de serre (GES). Les PRM sont une technologie facilitante-clé qui peut fournir une électricité propre fiable aux échelles requises pour la production d’acier.

Les FA utilisent des arcs électriques de grande puissance, généralement de 50 à 150 mégawatts, pour faire fondre rapidement la ferraille d’acier ou le fer de réduction directe (FRD). Bien qu’elle soit souvent complétée par le chauffage au gaz naturel, la principale source d’énergie du four électrique à arc est l’électricité.’ Cela permet aux FA d’être alimentés à partir de diverses sources, y compris des options sans combustibles fossiles et sans émissions.

Toutefois, à l’échelle mondiale, environ 30 % seulement de la production d’acier utilise des fours électriques à arc, en partie à cause d’une infrastructure dominée par les combustibles fossiles, et de l’accès limité à de l’énergie propre et à des matières premières appropriées comme la ferraille d’acier. C’est là que les PRM, grâce à leur capacité à fournir une électricité propre, fiable et flexible, peuvent faire une différence, car ils sont parfaitement adaptés pour soutenir l’expansion mondiale de l’élaboration d’acier à faibles émissions.

À ce jour, aucun FA n’est directement alimenté par un PRM, bien que plusieurs entreprises explorent cette voie prometteuse. De plus, Hatch est un chef de file de l’industrie des PRM depuis 2012 et offre une expertise dans l’élaboration de projets, la navigation réglementaire et l’intégration des PRM dans l’élaboration de l’acier et d’autres applications industrielles.

Potentiel puissant, défis pratiques

Les PRM s’harmonisent bien avec les activités du FA pour plusieurs raisons, notamment :

• Électricité fiable 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, ce qui en fait une excellente source d’énergie de base pour la production d’acier à forte consommation d’énergie, assurant une haute utilisation des actifs et une capacité élevée.
• Zéro émission de gaz à effet de serre, favorisant la transition vers une production d’acier à faibles émissions.
• Extensibilité permettant l’ajout de PRM à mesure que la demande en énergie augmente.
• Sécurité et indépendance énergétiques.

Le jumelage de FA et de PRM pose des difficultés, car les charges électriques des FA comptent parmi les plus difficiles à maîtriser. Elles sont caractérisées par un comportement très non linéaire et des fluctuations rapides de la demande de puissance. Pendant la phase d’amorçage,—lorsque des arcs sont heurtés sur la ferraille froide, l’arc est généralement très instable. Cette instabilité entraîne des variations rapides du courant et de la tension, qui à leur tour génèrent des harmoniques, un papillotement de tension et un déséquilibre qui peuvent se propager dans le réseau électrique connecté.

En plus de la variabilité résultant du processus de formation d’arcs, l’exploitation du FA est généralement exécutée par lots (coulées), ce qui entraîne une charge qui tombe à zéro à la fin d’un cycle, puis qui augmente rapidement au début du cycle suivant. Ces fluctuations posent d’importants défis pour les systèmes de production captive et les réseaux électriques intégrant une part importante d’énergie renouvelable, où l’offre et la demande doivent être étroitement équilibrées en temps réel. En particulier, les PRM ont de la difficulté à accélérer leur production pour correspondre au profil de charge, ce qui nécessite une solution technique précise pour y remédier.

Il existe de multiples solutions de stabilisation et de gestion de l’alimentation pour atténuer ces effets. Des solutions pour la qualité de l’énergie, comme les filtres d’harmoniques et les compensateurs statiques de puissance réactive (CSPR), existent sur le marché depuis des décennies et sont couramment utilisées dans les installations de fours électriques à arc. Les compensateurs statiques synchrones (STATCOM), une solution de rechange à haute vitesse aux CSPR, offrent des performances supérieures et approchent la parité des coûts. Les convertisseurs dos à dos (Elksnis et Kadar, 2024) sont l’un des développements les plus récents et offrent un niveau encore plus élevé d’immunité du réseau contre la charge très variable du four. Au-delà de la stabilisation, les solutions de gestion de l’énergie sont utiles pour équilibrer la production et la charge, surtout dans les configurations de microréseaux ou en mode îloté. Les solutions comprennent des systèmes de commutation à haute vitesse pour permettre l’équilibrage en temps réel de la charge en réponse aux fluctuations de l’énergie; des systèmes de stockage de l’énergie pour absorber ou fournir de l’énergie selon les besoins; et l’intégration de microréseaux pour combiner d’autres sources de production et de stockage, afin de créer une architecture d’alimentation électrique résiliente et flexible.

Pour déterminer la solution adaptée à la qualité et la gestion de l’énergie et qu’elle puisse répondre aux exigences du système, il faut une évaluation experte et une bonne compréhension des solutions.

Dimensions adaptées, sécurité avancée et potentiel d’amélioration économique

Les centrales nucléaires conventionnelles sont généralement conçues pour produire des gigawatts d’électricité. Les PRM sont conçus pour mieux répondre à la demande d’une aciérie, car elles offrent une solution énergétique plus compacte et flexible.

De plus, les nouvelles technologies de PRM intègrent des dispositifs de sécurité avancés conçus pour assurer une “sécurité passive”, c’est-à-dire qu’ils peuvent passer à un état sécuritaire après un incident sans intervention de l’opérateur. Par exemple, certains fournisseurs de PRM tirent parti de la circulation naturelle pour éliminer la chaleur résiduelle plutôt que de compter sur un système de refroidissement actif. Cela réduit le besoin de systèmes de sécurité complexes, ce qui rend le réacteur plus sûr et plus simple à utiliser.

Forger l’avenir

L’intégration des PRM aux FA constitue le point de départ le plus prometteur dans des régions comme l’Amérique du Nord et l’Europe, où il existe déjà une expertise nucléaire et des infrastructures d’élaboration de l’acier. Ces secteurs disposent de cadres réglementaires, d’une main-d’œuvre qualifiée et de chaînes d’approvisionnement nécessaires pour ouvrir la voie.

Les PRM offrent plus qu’une nouvelle source d’énergie. Ils représentent une occasion stratégique de décarboniser l’une des industries à forte intensité d’émissions les plus importantes au monde.’ En les combinant à des procédés électrifiés d’élaboration de l’acier, nous pouvons ouvrir une nouvelle ère de production d’acier propre, résiliente et évolutive.

Hatch possède une expertise à la fois dans le domaine de l’acier et dans celui des réseaux électriques complexes, ce qui lui permet d’aider ses clients à exploiter le plein potentiel des PRM tout en élaborant des stratégies résilientes à long terme. Communiquez avec nous pour découvrir comment nous soutenons l’avenir de la production d’acier et écoutez notre série de balados pour en apprendre plus grâce à nos spécialistes.

Références

Elksnis, Y. et Kadar, L. (2024). Next Generation Power Supply Options for Electric Arc Furnaces and
Electric Smelting Furnaces, 13th European Electric Steelmaking Conference, Essen, Germany.