Que sont les échangeurs cryogéniques pour liquéfaction gnl ?
Les échangeurs cryogéniques brasés aluminium plaques-ailettes BAHX (Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchangers) sont des échangeurs de chaleur compacts et hautes performances utilisés pour liquéfier et séparer les gaz à très basse température (-162 °C pour GNL, -196 °C pour azote, -253 °C pour hydrogène, -269 °C pour hélium). Leur principe : une succession de plaques planes d'aluminium pur 3003 avec ailettes corruguées intercalaires (densité 200-1 000 ailettes/m), brasées sous vide à 600 °C avec alliage aluminium-silicium ASTM B209, formant un bloc compact de 50 à 200 passages parallèles permettant l'échange thermique entre 5 à 10 fluides simultanément. Cette technologie offre une surface d'échange spécifique exceptionnelle (1 000-2 000 m²/m³ vs 50-150 m²/m³ pour échangeurs tubulaires), des écarts de température faibles (pinch < 2 K), et une efficacité thermique > 95 % indispensable au rendement énergétique des trains de liquéfaction GNL (consommation 280-350 kWh/tonne LNG).
Le marché mondial des BAHX cryogéniques est dominé par 4 acteurs : Chart Industries USA (~35 % parts marché, ex-Industrial Heat Exchangers et CFI), Linde Engineering Allemagne (~25 %), Fives Cryo France (~20 %), Sumitomo Precision Products Japon (~15 %). En France, Fives Cryo (siège et usine principale Golbey 88 dans les Vosges, filiale Fives Group, ~350 salariés, ancien site Nordon Cryogénie créé 1973, racheté par Fives en 2007) est l'un des trois fabricants européens d'échangeurs BAHX, avec 50 ans d'expertise dans la cryogénie. Son usine de Golbey 88 est l'une des plus grandes au monde pour BAHX cryogéniques, capable de produire des blocs de 8 m de long × 2 m de large × 1,5 m de haut (poids unitaire 30 tonnes), expédiés vers les chantiers de trains LNG mondiaux (Qatargas Qatar, Cameron LNG USA, Yamal LNG Russie, Mozambique LNG). En complément, Air Liquide Engineering & Construction Champigny-sur-Marne 94 et Lyon 69 (~5 000 salariés worldwide) conçoit les boîtes froides cryogéniques (cold boxes assemblant BAHX + tuyauterie + colonnes de distillation) pour ses propres usines de gaz industriels et terminaux GNL (technologie LIQUEFIN propriétaire). Linde Engineering France complète l'offre avec ses procédés de liquéfaction GNL et hydrogène.
Spécifications techniques et procédés de production
Principaux types d'échangeurs cryogéniques et leurs applications industrielles :
Familles de produits et caractéristiques
| Type d'échangeur | Plage température | Matériau | Application principale |
|---|---|---|---|
| BAHX brasé aluminium plate-fin | -269 °C à +65 °C | Aluminium pur 3003 + brasure Al-Si | Liquéfaction GNL, séparation air, hydrogène |
| CWHE coil wound heat exchanger | -162 °C à +30 °C | Aluminium ou inox | Trains LNG grands (APCI C3MR, Cascade Linde) |
| PFHE Printed Circuit Heat Exchanger | -196 °C à +900 °C | Inox 316L ou alliages spéciaux | Hautes pressions, CO2 supercritique, hydrogène |
| Échangeurs tubulaires shell & tube cryo | -196 °C à +30 °C | Inox 304L, 316L, aluminium | Préchauffage, refroidissement gaz secondaire |
| Régénérateurs Joule-Thomson | -269 °C à -100 °C | Inox, aluminium | Pompes à chaleur hélium, hydrogène liquide |
| Cuves cryogéniques avec serpentin | -196 °C à -100 °C | Inox 304L, 9 % Ni | Stockage gaz industriels avec échange |
Grades et conditionnements commerciaux
- BAHX standard cryogénique GNL (Fives Cryo Golbey 88) : blocs aluminium 3003 brasés, dimensions 2-8 m × 1-2 m × 0,5-1,5 m, surface échange 1 000-2 000 m²/m³, pression service 80-100 bar, applications trains LNG C3MR Air Products APCI ou DMR ConocoPhillips Cascade.
- BAHX haute pression hydrogène (Fives Cryo + Linde Engineering) : variante BAHX optimisée pour cycle Brayton hélium ou Claude pour liquéfaction hydrogène -253 °C, pression jusqu'à 100 bar, applications grandes unités H2 liquide HyPort projet Linde-Hyundai.
- CWHE Coil Wound Heat Exchanger (technologie Linde et Air Products APCI) : tubes aluminium enroulés en spirale autour d'un mandrin central, hauteur 50-60 m, diamètre 5 m, capacité 4-7 Mt LNG/an, utilisé sur méga-trains LNG type Qatargas et Yamal LNG.
- Cold box boîte froide cryogénique (Air Liquide Engineering & Construction Champigny 94 et Lyon 69) : assemblage compact en caisson isolé contenant 2-10 BAHX + tuyauterie + colonnes distillation, dimensions 5-15 m hauteur, isolation perlite expansée + vide partiel, applications air séparation et GNL.
- BAHX pour liquéfaction hélium -269 °C (Fives Cryo + Air Liquide) : échangeurs ultra-spécialisés cycle Brayton ou Claude, applications laboratoires recherche (CERN Genève, CEA Saclay 91) et liquéfacteurs hélium industriels Linde Allemagne et Air Liquide.
Normes et réglementations
Référentiels normatifs et codes applicables aux échangeurs cryogéniques :
- ALPEMA Standards (Aluminium Plate-fin Heat Exchanger Manufacturers Association) : standard mondial de référence pour BAHX, édition 2010, exigences design, fabrication, essais hydrostatiques.
- ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1 et 2 : code américain équipements sous pression applicable BAHX, validation pression service jusqu'à 100 bar.
- Directive Européenne PED 2014/68/UE : équipements sous pression, marquage CE obligatoire pour mise sur marché européen, applicable BAHX > 0,5 bar.
- EN 13458 Récipients cryogéniques - Récipients statiques sous vide : norme européenne cuves et équipements cryogéniques sous vide pour gaz industriels.
- EN 1473 Installation et équipements relatifs au GNL : conception terminaux méthaniers terrestres incluant boîtes froides cryogéniques.
- ASME B31.3 Process Piping : tuyauterie process applicable raccordement BAHX, certifié pour températures cryogéniques jusqu'à -196 °C.
Procédés industriels détaillés
Étapes industrielles de fabrication d'un échangeur cryogénique BAHX brasé aluminium :
Ingénierie thermique multi-passages
Ingénierie thermique : conception par logiciels propriétaires Fives Cryo ou Linde Engineering, calcul nombre passages (5-10 fluides simultanés), profil ailettes (densité 200-1 000 ailettes/m, hauteur 2-6 mm), distribution tête, pinch températures < 2 K.
Découpe plaques et ailettes aluminium
Découpe plaques aluminium 3003 (épaisseur 1-2 mm) et ailettes corruguées par presse à former (corrugations triangulaires ou trapézoïdales), bandes brasures aluminium-silicium AlSi-7 % aux interfaces, contrôle dimensionnel précision ± 0,1 mm.
Empilement passages alternés
Empilement passages alternés : plaque + ailettes + plaque + ailettes + plaque, formation bloc compact 50-200 passages, fixation provisoire par broches, pose distributeurs (header tabs) en bout de bloc pour entrée/sortie fluides.
Brasage sous vide four 600 °C
Brasage sous vide en four industriel grande taille (8 m de long Fives Cryo Golbey 88) : montée 600 °C sous vide poussé 10⁻⁵ mbar, fusion brasure AlSi à 580 °C qui pénètre par capillarité dans tous les joints, refroidissement contrôlé pour éviter contraintes thermiques.
Tests pression hélium étanchéité
Tests d'étanchéité hélium par spectromètre de masse (sensibilité 10⁻⁹ mbar·L/s) sur chaque passage individuellement et tous passages simultanément, test pression hydrostatique 1,5 × pression design (jusqu'à 150 bar), reprise éventuelle soudures TIG locale.
Soudage têtes et conditionnement
Soudage des têtes (collecteurs) en aluminium 5083 ou inox 304L sur les distributeurs du bloc brasé par TIG, raccordement tuyauterie acheminement fluides, conditionnement avec atmosphère inerte azote, expédition vers chantier d'assemblage cold box ou train LNG.
Le marché français
Le marché mondial des échangeurs cryogéniques BAHX représente environ 1,2 Md€/an en 2024, en forte croissance (+15 %/an) tirée par les méga-trains GNL en construction (Qatargas Expansion 32 Mt/an supplémentaires 2025-2027, USA Gulf Coast Cheniere et Venture Global 60 Mt/an supplémentaires 2024-2028, Mozambique LNG 13 Mt/an, Arctic LNG-2 Russie 20 Mt/an retardé sanctions). La capacité mondiale de liquéfaction GNL atteindra 480 Mt/an en 2024 (vs 390 Mt 2022) et 600+ Mt/an en 2028. Chaque méga-train LNG (5-8 Mt/an, CAPEX 5-12 Md USD) consomme 30 à 100 BAHX cryogéniques pour réfrigération propylène (C3MR), main heat exchanger (MHE), sub-cooler. Le marché secondaire des gaz industriels (air séparation O2/N2/Ar, hydrogène, hélium) reste stable autour de 500 M€/an pour BAHX.
Fives Cryo (siège et usine Golbey 88, Vosges, filiale Fives Group, ~350 salariés, ancien Nordon Cryogénie créé 1973, racheté Fives 2007) génère un CA estimé 100-150 M€/an sur les BAHX, avec carnet de commandes record 2024 (>2 ans de production). Son usine Golbey 88 a investi 30 M€ entre 2020 et 2024 pour moderniser ses fours de brasage (un des plus grands four à BAHX mondiaux, 8 m de long), automatiser la découpe plaques, certifier nouveaux alliages aluminium pour H2 liquide. Air Liquide Engineering & Construction Champigny-sur-Marne 94 + Lyon 69 (~5 000 salariés worldwide, CA 1,5 Md€ ingénierie) conçoit boîtes froides cryogéniques pour Air Liquide propres unités O2/N2 et terminaux LNG, avec technologie LIQUEFIN propriétaire (procédé liquéfaction GNL mid-scale 1-2 Mt/an).
La filière française cryogénie emploie environ 1 500 personnes directes (Fives Cryo 350, Air Liquide E&C ~500 ingénieurs France, Linde Engineering France ~200, sous-traitance et bureaux d'études 450). Le segment hydrogène liquide -253 °C (H2 LH2) émerge comme nouveau marché clé avec projets pilotes Linde-Hyundai HyPort (Hambourg, Allemagne), Air Liquide-Renault HyVia, Plug Power USA. Fives Cryo développe nouvelle gamme BAHX optimisée H2 LH2 (pression 50-80 bar, températures jusqu'à -253 °C, conception sécurisée fuites H2). Le marché émergent CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage) avec CO2 supercritique 150 bar et CO2 liquide cryogénique -56 °C tirera demande BAHX et PFHE Printed Circuit pour CCS Northern Lights Norvège, Hub CCS Dunkerque, projet ANTONIN Le Havre.
Applications et débouchés industriels
Programmes publics et stratégiques soutenant la filière française cryogénie GNL :
- France 2030 hydrogène (9 Md€ 2021-2030) : volet hydrogène liquide -253 °C, soutien Fives Cryo et Air Liquide pour BAHX et liquéfacteurs H2 LH2.
- PIIEC Hy2Tech (5,4 Md€ aides UE) : filière hydrogène équipements transport et stockage cryogénique, soutien projets pilotes.
- Stratégie Carbon Capture France 2030 (1,5 Md€) : projets CCUS Dunkerque, Le Havre, Lacq pour captage CO2, demande BAHX et PFHE pour CO2 cryogénique.
- Programme PIA4 Bpifrance Énergie : 200 M€ pour gaz industriels et cryogénie, soutien décarbonation procédés.
- Stratégie européenne REPowerEU : 3 Md€ pour infrastructures GNL et hydrogène, retombées projets cryogéniques Fives Cryo et Air Liquide.
Questions fréquentes
Qu'est-ce qu'un échangeur cryogénique BAHX brasé aluminium ?
Un échangeur BAHX (Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger) est un échangeur thermique compact ultra-performant utilisé en cryogénie (-269 °C à -100 °C) pour liquéfier le gaz naturel GNL (-162 °C), l'hydrogène (-253 °C), l'hélium (-269 °C), ou séparer l'air en O2/N2/Ar (-196 °C). Sa structure : succession de plaques planes d'aluminium pur 3003 (1-2 mm épaisseur) avec ailettes corruguées intercalaires (densité 200-1 000 ailettes/m), brasées sous vide à 600 °C avec alliage aluminium-silicium AlSi-7 %, formant un bloc compact de 50 à 200 passages parallèles. Surface d'échange exceptionnelle 1 000-2 000 m²/m³ (vs 50-150 m²/m³ pour échangeurs tubulaires classiques), efficacité thermique > 95 %, pression service jusqu'à 100 bar, capable d'échanger 5-10 fluides simultanément. Indispensable pour rendement énergétique trains LNG (cible 280-350 kWh/tonne LNG produite).
Qui sont les fabricants français d'échangeurs cryogéniques BAHX ?
Fives Cryo (siège et usine Golbey 88, Vosges, filiale Fives Group, ~350 salariés) est le principal fabricant français de BAHX cryogéniques, l'un des trois leaders européens avec Linde Engineering Allemagne et Chart Industries USA. L'usine de Golbey, créée en 1973 sous le nom Nordon Cryogénie puis intégrée à Fives en 2007, est l'une des plus grandes au monde pour BAHX, capable de produire des blocs de 8 m de long × 2 m de large × 1,5 m de haut (poids 30 tonnes). Air Liquide Engineering & Construction Champigny-sur-Marne 94 + Lyon 69 (~5 000 salariés worldwide) ne fabrique pas directement les BAHX (souvent achetés Fives Cryo ou Chart) mais conçoit les boîtes froides cryogéniques (cold boxes) intégrées dans les unités O2/N2 et trains GNL, avec sa technologie LIQUEFIN propriétaire pour liquéfaction GNL mid-scale 1-2 Mt/an. Linde Engineering France complète l'offre avec procédés de liquéfaction GNL et hydrogène.
Comment fonctionne un train de liquéfaction GNL ?
Un train de liquéfaction GNL transforme le gaz naturel gazeux (méthane CH4 essentiellement) en liquide cryogénique à -162 °C, réduisant son volume de 600 fois pour transport maritime intercontinental par méthanier. Les principaux procédés sont : APCI C3MR (Air Products & Chemicals Inc, propane précooling + Mixed Refrigerant, 60 % parts marché mondiale, cible 5-8 Mt/an par train), ConocoPhillips Cascade (3 réfrigérants successifs : propylène + éthylène + méthane), Linde MFC (Mixed Fluid Cascade), Shell DMR (Dual Mixed Refrigerant). Chaque procédé utilise des compresseurs centrifuges (API 617, 30-80 MW unitaires fournis MAN Energy Solutions Saint-Nazaire 44, Siemens Energy, Baker Hughes) qui comprimnent les réfrigérants, et des échangeurs cryogéniques BAHX ou CWHE (50-100 unités par train) qui refroidissent progressivement le gaz naturel de +25 °C à -162 °C en plusieurs étapes. CAPEX 5-12 Md USD par train selon procédé et capacité. Production mondiale GNL 2024 : 480 Mt/an, capacité 2028 prévue 600+ Mt/an.
Quelle est la différence entre BAHX et CWHE pour GNL ?
BAHX (Brazed Aluminium plate-fin Heat Exchangers) et CWHE (Coil Wound Heat Exchanger) sont les deux principales technologies d'échangeurs cryogéniques pour liquéfaction GNL, avec des caractéristiques différentes. BAHX : blocs aluminium brasés compacts (2-8 m × 1-2 m × 1,5 m), surface d'échange 1 000-2 000 m²/m³, capacité petits-moyens trains LNG (1-3 Mt/an), procédés APCI C3MR mid-scale, ConocoPhillips Cascade. Fournisseurs Fives Cryo Golbey 88, Chart Industries USA, Linde Engineering. Avantages : compacité, modularité, écarts T faibles. CWHE : tubes aluminium enroulés en spirale autour d'un mandrin central, hauteur 50-60 m, diamètre 5 m, capacité méga-trains LNG (5-8 Mt/an), procédés APCI C3MR mega-scale (Qatargas, Yamal LNG), Shell DMR. Fournisseurs APCI Air Products USA (~80 % marché CWHE), Linde Engineering. Avantages : taille unitaire énorme (un seul échangeur pour un train entier), pression élevée jusqu'à 60 bar. Les méga-trains LNG > 5 Mt/an utilisent CWHE, les trains mid-scale < 3 Mt/an préfèrent BAHX.