Mécanismes Interfaciaux et Matériaux d’anodes INertes pour l’Electrolyse de l’Aluminium – MIMINELA

Le projet s’inscrit dans le développement d’un procédé de production d’aluminium par électrolyse en milieu de sels fondus ne générant pas de gaz à effet de serre, en remplaçant les anodes actuelles en carbone par des anodes « inertes » dans ce milieu.
La réduction électrolytique de l'aluminium est le procédé qui permet de fabriquer le métal aluminium à partir de l'alumine extraite de la bauxite. Nommé procédé Hall-Héroult, il est sans concurrent malgré de très nombreuses tentatives depuis 50 ans, et mis en œuvre par la totalité des sociétés productrices d’aluminium telles qu’ALCOA (Aluminum Company of America), RIO TINTO ALCAN (RTA, maison mère d’Aluminium Pechiney), RUSAL (compagnie majeure russe), CHINALCO (compagnie majeure chinoise).
Le principe inchangé depuis 1886 est de dissoudre l’alumine dans un bain d’électrolyse fluoré à base NaF-AlF3 (cryolithe) entre 950°C et 1000°C, et par passage de courant de réaliser à la cathode la réduction de Al2O3 dissoute en aluminium et à l’anode l’oxydation du carbone en CO2 gazeux (1,5 t CO2 /t Al).
Dans une usine d’électrolyse, les cuves (intensité nominale allant de 200 à plus de 400 kA en fonction de la technologie) sont disposées en série d’environ 300 cuves.
Le carbone est le seul matériau conducteur électronique résistant sous potentiel à la cryolithe fondue. L’émission de CO2 résulte donc de la conception même du procédé. L’oxydation du carbone s’effectue avec un rendement énergétique de 80%, ce qui abaisse la consommation électrique d’environ 3 kWh/tonne, soit 20 %, mais elle présente un certain nombre d’inconvénients :
Défaut d’alumine au voisinage de l’anode qui provoque le phénomène d’«effet d’anode» avec réactions parasites de formation de CFx, gaz à effet de serre dont l’impact pondéral sur l’environnement est environ 7400 fois plus élevé que celui du CO2 (6500 pour CF4 et 9200 pour C2F6). L’effet moyen pouvant atteindre 2 t CO2 éq/t Al.
Le carbone anodique doit avoir une pureté élevée (notamment en soufre pour limiter l’émission de SO2), et est de moins en moins disponible.
Sa consommation nécessite un remplacement de l’électrode tous les 28 jours, avec ouverture de cuve entrainant l’émission de gaz fluorés.
Cette consommation nécessite un important atelier de fabrication d’anodes, et la mise en œuvre de liants carbonés susceptibles de générer HAP et COV.
Ce projet est axé sur la compréhension des mécanismes de corrosion en service d’anodes inertes multi matériaux (couche électro-active de ferrite de Nickel croissant sur une base de Composite Métal Céramique « C.M.C. », massif ou déposé sur âme métallique).
Tout matériau pour anodes inertes doit nécessairement résister à des sollicitations extrêmement sévères (haute température, corrosion, …), la dégradation qui en résulte est majoritairement régie par les phénomènes diffusifs ou par les caractéristiques thermomécaniques. Tout développement d’anode multi matériaux nécessite de fait des modélisations multidisciplinaires et multi-échelles.
L’ensemble des études réalisées à ce jour par les partenaires a permis de constituer un corpus étendu de connaissances fondamentales et expérimentales, et de dégager l’axe de recherche prioritaire : les études seront focalisées sur la caractérisation à la température de service des phénomènes aux interfaces internes alliage métallique/C.M.C., C.M.C./couche céramique fonctionnelle, et externe couche céramique fonctionnelle/bain cryolithique, complétée par des études de spéciation en bain cryolithique. Les résultats obtenus seront complétés par des calculs de diffusion au sein des matériaux, et permettront d’affiner la compréhension du mode de dégradation des anodes. La modélisation multi-échelle des espèces considérées comme responsables des phénomènes de corrosion des anodes (notamment Fe) devrait alors permettre de développer une stratégie d’optimisation des matériaux d’anodes en bain usuel, et pourrait aussi se traduire par une modification de la chimie et / ou de la température du bain.