Production d'aluminium par électrolyse

02/09/2017
Publication REE REE 2006-1
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-1:19766
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Production d'aluminium par électrolyse

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Repères LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L'ÉLECTROCHIMIE a a Production d'aluminium par électrolyse Par Laurent CASSAYRE ITU Joint Research Centre, Karlsruhe, Allemagne mratmm Electrolyse, Métallurgie, Aluminium, Alumine, Cryol ithe, Carbone L'aluminium est le second méta le plus utilisé dans le monde, grâce à sa faible densité et à ses propriétés électriques. Un éclairage sur une étape déterminante de sa production, l'électrolyse par le procédé Hall-Héroult. Introduction Jusqu'au XIX'siècle, l'aluminium est resté inconnu sous sa forme métallique, malgré sa présence abondante dans la croûte terrestre sous forme d'oxyde dans les sili- cates et la bauxite. F. Wbhler réussit en 1827 à produire suffisamment d'aluminium pour étudier ses propriétés physiques, et mesurer en particulier son bas point de fusion et sa densité particulièrement faible par rapport aux autres métaux courants. Suit une succession d'inventions destinées à mettre au point un procédé de fabrication industriel, en utilisant notamment la réduction par le sodium. En 1886, P. Héroult dépose en France le premier brevet sur la fabrication de l'aluminium par électrolyse de l'alumine dissoute dans la cryolithe fondue, méthode qui a permis le développement de l'industrie de l'alumi- nium, et qui reste la seule utilisée. L'Américain C.M. Hall brevette la même année et indépendamment un procédé similaire, appelé aujourd'hui procédé Hall-Héroult. La chaîne actuelle de production consiste en une extraction de la bauxite, dont est produite l'alumine (AI,03) grâce au procédé Bayer, en une électrolyse puis en une mise en forme de l'aluminium. Les principaux stades de la fabrication de produits en aluminium sont présentés sur la figure 1. Minerais alumineux Extraction Bauxite ProcédéBayer Alumine 1 Électrolyse. Aluminiumprimaire Coulée laminage, filage, moulage,forgeage Aluminiumsecondaire Secondefusion Produits sem) -f ! ms Industriemanufacturière Produits finis Déchets Usage Figiii-e 1. Pt-iiicilales étapes de la izéitilli (i-gie de l'aliiiiiiiiiiiii. Actuellement, l'aluminium est le second métal le plus utilisé dans le monde, après le fer qui constitue plus de 90 % des métaux raffinés (cf. tableau 1). C'est principa- lement grâce à sa faible densité que l'aluminium s'estc L'ESSENTIEL Cet article propose une présentation générale de la production d'aluminium par électrolysede l'alumine à 960'C. Les différents aspects chimiques, énergétiqueset techniques sont abordés, ils donnent les clefs pour une compréhension des principaux problèmes technologiqueset environnementaux liésau procédé. YNOPSIS This article proposes a general overview of the production of aluminium by electrolysis of alumina at 960'C. The chenical, energeticasweil astechnicalaspectsof the processarepresented, which will give the key for a good understanding of the main technological and environmental problems faced by the alumi- nium mdustry. REE ° 1 Janvier2006 Repères LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L'ÉLECTROCHIMIE Autres (25%) Biensdurables Machinerie/équipement Équipementsde sports Meubles Électricite (9%) Lignesde transmission Tours de transmission Accessoires 5 x ? z s / 6siF Y..'`s s, L Y Construction (20%) Ponts et infrastruclures Cadres portes et fenëtres Revétements extérieurs et toitures Chauffage, airconditionné, ventilation Transport (26%) -- Automobile Aviation(Airbus,Concorde) Trains (TGV) Constructionnavale Carnions,bus Emballage (20%) Canettes Feuilles Figtii-e 2. Utilisatioii de l'altiiiiiiiiiiiii (soiti-ce.- [11). Métal Production mondiale Prix Abondance dans Température Densité Résistivitéétec- en 2004 (Mt/an) ($/kg) Fécorce terrestre (%) defusion (OC) (g/cml) trique (p2cm) Fer 1020 (acier) 0,1-0,3 5,6 1538 7y9 9171 Aluminium 22,6 it8 8,3 660 2t7 2r65 Cuivre 13 8__ 37 0006 085 8,9 1167Cuivre 138. 3,7 0,006 1085 8,9 1,67 Zinc 10,5 1,3 0007 420 7l 5, U-6- Plomb 3,0 0 9---- 0,001 327 113 2O I6 5 Nickel 1,2 1416 01008 1455 8,9 6,84 Tableau J. Quelques données concernant les six métaux les plus utilisés dans le monde. imposé comme matériau incontournable dans divers secteurs économiques. En effet, la réduction du poids des moyens de transports conçus en alliages d'aluminium (par exemple AI-Cu ou AI-Zn-Mg-Cu) permet de réduire efficacement leur consommation en énergie. Comme l'indique la figure 2, l'aluminium est également large- ment utilisé dans le secteur des emballages (notamment les canettes pour boissons), celui de la construction, ainsi qu'en tant que conducteur électrique. Pour faire face à la forte demande, la production annuelle mondiale par électrolyse a subi une constante évolution, comme l'indique la figure 3 : de 6 000 tonnes en 1900, elle atteint 22,6 millions de tonnes en 2004. Les plus grands consommateurs d'aluminium sont le Japon (29 kg par habitant et par an) et les États-Unis (27 kg/habitant et par an). En France, la consommation annuelle est de 17 kg/habitant. Un autre grand avantage de l'aluminium est qu'il est hautement recyclable, avec une économie d'énergie de 95 % par rapport à celle nécessaire à la fabrication par élec- c E EQ. E E E : b c o u U 'o 25 Ooeanie Afrique Europe 10% 8% Amérique du Nord20 Est 18% 23% 15 Amérique Europede Ouest y.Asie 1096 10/V 19% 12% 10 5 0 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Année Eigure 3. Evolution de la production annuelle mondiale d'alu- minium (en millions de tonnes) et répartition géographique de la prodtictioii eji 2004 (sotti-ce : [11). trolyse. Le recyclage est devenu une composante majeure de l'industrie de l'aluminium : chaque année, 8 millions de REE Wl Janvicr2006 Production d'aluminium par électrolyse tonnes de métal dit secondaire sont produites, et 30 % de la consommation française est alimentée par le recyclage [2]. La suite de cet article est consacrée à la description du procédé d'électrolyse,ainsi qu'aux problèmes technologiquesp et environnementaux posés actuellement à l'industrie de l'aluminium. 2. Le procédé Hall-Héroult Le procédé utilisé pour obtenir l'aluminium primaire consiste à électrolyser l'alumine dissoute dans un électrolyte, par passage d'un courant continu, à environ 9600 C [3-5]. 2.1. Principe de l'électrolyse La réaction globale intervenant dans la cellule est : 2 AI O + 3C éiectrotyse,4 AI + 3 CO2AJ203 (dissoute) + 3 C (solide) électrolyse) 4AI (liquide) + 3 C02 (gaz)9600C L'aluminium se forme à la cathode, et l'anode en carbone réagit en formant du dioxyde de carbone gazeux. Pour produire une tonne d'aluminium, cette réaction requiert 0,415 tonne de carbone et 1,920 tonne d'alumine, tandis que 650 m'de dioxyde de carbone sont produits par la combustion des anodes. L'alumine est ajoutée continuellement dans l'électrolyte et les anodes en carbone sont remplacées régulièrement. De manière schématique, trois réactions permettent de décrire le procédé dont le principe est représenté sur la figure 4 : 1) Dissolution et dissociation de l'alumine dans l'électrolyte : A1203 = 2 Al + 3 0' L'alumine est ajoutée sous forme de poudre dans l'élec- trolyte, pour faciliter sa dissolution. Elle forme alors des ions complexes, du fait des propriétés particulières de l'électrolyte qui sont abordées ci-dessous. 2) Réduction des cations AP+ à la cathode : A1 -<- - A1Al'+ + 3 e- = AI (liquide) Le métal se forme à la surface de la cathode, et coalesce pour former une nappe d'aluminium liquide. 3) Oxydation des anions 02 à l'anode en carbone : 2 02- + C (solide) = C02 (gaz)+ 4 e- Les molécules deC02coalescent à la surface de l'anode, jusqu'à former de grosses bulles (de taille caractéristique 1 cm - 10 cm) qui glissent sous l'anode avant de s'échapper dans l'atmosphère. 2.2. Electrolyte Le bain d'électrolyse est constitué en majeure partie de cryolithe, de formule chimique Na3AIF6. Ce sel, dont /---," +' : : + 1 ALO23 Carbone e- )1 (-, Il'1 Anode ; i 1v COZ (gaz)" < " 1 0 (-Il) C02 (gaZ) Al(,iii)-l, 1-1, --- 1-- ------- Alumiriium liquide Na " e- Electrolyte Cathode . Carbone Figure 4. Schénia de principe de la cellule d'électrolyse. la température de fusion est de 10C, se dissocie pour former un liquide composé uniquement d'ions selon : + Na3AIF6= 3Na'+ AIF'- Le passage du courant à travers l'électrolyte est alors essentiellement assuré par les ions Na+. De plus, les anions se dissocient partiellement selon : 3 lFé AIF + 2F-A Des réactions d'échanges du fluorure F menant à la formation d'autres fluoroaluminates tels que AIF {ou A12F'sont également envisagées, mais actuellement, il n'existe pas de modèle unanimement reconnu pour décrire la composition ionique des mélanges cryolithiques. L'avantage majeur de la cryolithe fondue est qu'elle permet de dissoudre l'alumine en quantité importante, ce qui n'est le cas avec quasiment aucun autre électrolyte. La dissolution de l'alumine se produit selon des réactions du type : A12C) 3+ 4AIF4 + 2F- -- 3Al20F6 AI203 2- A'203 + AIF + 2F- = 2 A1202F L'oxygène au degré d'oxydation -II est ainsi engagéZn dans des ions complexes appelés oxyfluoroaluminates. L'ajout d'additifs tels que AlF et CaF,) permet d'abais- ser le point de fusion jusqu'à 950'C. Le mélange est alors conducteur (G - 2,2 S/cm), d'une viscosité proche de celle de l'eau, et sa densité (p,,.y = 2,1 g/cm') est inférieure à celle de l'aluminium (PAl = 2,4 g/cmJ) : le métal formé, plus lourd, se dépose au fond de la cuve d'électrolyse. Typiquement, la composition massique d'un bain industriel est : 81,5 % Na3AIF6, 11 % AlF, 5 % CaF, et 2,5 % A'203- REE ? 1 Janvier2006 Repères LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L'ÉLECTROCHIMIE IAlimentation en alumine Epurateur des gaz Bain + + Tige AI Tige AI " Gaz,- Anode Anode Aluminium Barre d'acier Isolant thermique Capot Piquage latéral CroLlte Brasque ' ". Li. Il. - ---i- - Caisson en acier Figure( -5. Schéiiia eiz t-oitl) -e cl-'ltiîe cit-i-,e de-l' (i-llll ? l-illiiiii. 2.3. Cuves d'électrolyse La cuve d'électrolyse, schématisée sur la figure 5, se compose des éléments suivants : . un caisson en acier, . un garnissage isolant thermique constitué de briques réfractaires, . un creuset polarisé cathodiquement constitué d'un assemblage de blocs de carbone cuits à base d'anthracite et liés par une pâte carbonée appelée pâte de brasque, . des barres d'acier traversant le caisson et permet- tant l'arrivée du courant à la cathode. . des tiges sur une superstructure en aluminium au- dessus du creuset maintenant les anodes carbonées, . un système d'aspiration des gaz vers la station de traitement, . un système d'alimentation en alumine. La distance entre l'anode et le métal est ajustée par des moteurs en fonction de la consommation des anodes. Par ailleurs, deux opérations principales sont effectuées régulièrement : · le soutirage de l'aluminium, qui s'effectue par aspiration dans une poche de coulée grâce à un tuyau en fonte plongé dans la couche de métal liquide, . le remplacement des anodes consommées, chaque anode durant environ 25 jours. De manière à assurer la qualité de la production, de nombreux contrôles sont effectués : mesure de la hauteur de métal et de bain, prélèvement et analyse du métal, suivi de la température et des paramètres électriques. Une régulation automatisée des paramètres de marche ac permis d'améliorer grandement le rendement du procédé. Les cuves modernes sont constituées d'une vingtaine d'anodes soumises à une densité de courant de 0,8 A/cm'. Elles sont disposées en deux séries parallèles d'une centaine de cuves, dans deux halls séparés et éloignés de quelques dizaines de mètres. Comme l'indique la photographie de la figure 6, les cuves sont disposées " en travers " et non en long par rapport à l'axe de la série.1 Une cuve de 300 000 ampères produit environ 850 tonnes d'aluminium par an. Avec deux séries de cent cuves, une usine peut produire 170 000 tonnes d'alu- minium par an. .' ':\\ - . t l' l'I a.. I i rw :t.rr. '1IL Figitt-e 6. Photog-ciphie tl'i (iie sé-ie de ciiies tl'étect-ol-'se. REE Wl jall\ iei -1006 Production d'aluminium par électrolyse Perte de chaleur Energie effective 7,15 M\/Vh/t AI 6,35 MWhtt AI >0 CN 1t : f 1 1 0,35 V o35 v 1 cc»2 o30 \1 l1 35 v 0, so v 4l 1,20 V. K1 /Circuit externeIl 1 Catl-iode rlnode etconnexions Bulles de CO Électrolyte Chute ohmique 1 Surtenslon au) : électrodes Potentiel réversible Réaction électrochimique Figiti-e 7. Rélya-titioii du poteiitiel cle celltile et coiisoiiiiiîation éiiei-géti'qite. 2.4. Aspect énergétique Dans les cuves modernes, le rendement Faraday (rapport de la masse d'aluminium produite à la masse d'aluminium théoriquement déposable) est de l'ordre de 95 % ; les pertes s'expliquent principalement par une dissolution partielle de l'aluminium dans l'électrolyte et sa réoxydation dans la zone anodique. La tension aux bornes de la cellule d'électrolyse est d'environ 4,20 V. Au potentiel réversible de la réaction électrochimique (1,20 V) s'ajoutent les surtensions aux électrodes nécessaires pour obtenir une vitesse de réaction satisfaisante. Comme le détaille la figure 7, la chute ohmique induite par le passage du courant à travers l'électrolyte, la couche de gaz et les électrodes implique une tension supplémentaire de 2,50 V. Ainsi, 5,64 MWh d'énergie électrique sont théorique- ment nécessaires pour fabriquer une tonne d'aluminium. Cependant, l'énergie consommée est d'environ 13,5 MWh par tonne, du fait d'une dissipation de l'énergie par effet Joule. Ce dégagement de chaleur suffit à maintenir la température du bain aux alentours de 960°C, mais implique également un faible rendement énergétique global, de l'ordre de 50 %. L'énergie effective pour produire une tonne d'alumi- nium, incluant l'énergie nécessaire à chauffer les réactifs à 960'C, est de 6,35 MWh. Pour une usine d'électrolyse contenant 200 cuves alimentées par 300 000 A sous une tension de 4,20 V, le générateur d'énergie doit alors fournir 250 MW. En y ajoutant les auxiliaires, notamment la cuisson des anodes et la fonderie, une usine doit donc disposer d'une puissance de près de 300 MW. 3. Problèmes technologiques liés au procédé d'électrolyse L'amélioration de la productivité des usines d'électrolyse a rendu nécessaire une compréhension approfondie du procédé, qui bénéficie de plus de cent ans de développement technologique. Les points les plus cruciaux sont abordés dans les paragraphes suivants. 3.1. Impuretés dans l'électrolyte Comme le détaille le tableau 2, de nombreuses impuretés sont introduites dans la cellule d'électrolyse via l'alumine, la cryolithe et les anodes. Ces impuretés se retrouvent en majeure partie dissoutes dans l'électrolyte ; elles sont néfastes au procédé car elles induisent plusieurs types d'interactions : . modification de la composition de l'électrolyte, . réaction avec les blocs cathodiques et les anodes, . pollution de la nappe d'aluminium. Ce dernier point est particulièrement crucial, puisque la pureté de l'aluminium représente un élément clé pour l'industrie : plus le métal est pur, plus sa valeur est grande.c Quantitéd'impureté (q en % massique} 0,001% < q < 0,05 % 0,05 % < q < 0,5 % 0,01 % < q < 0,1 % (1 - 1 % Alumine et cryolithe Ti02 ; CaO; ZnO ; V205 ; P205 ; Cr203 ; K20 ; Ca Si02 ; Fe20a, Na2O, lO, SO__ Coke de pétrole (anodes) Si, Fe,V, Ni, Na, Mg, Ca S Tableaii 2. Iiiiliiretés pi-éseiiies dciiis l'ciltiiiiiiie, la cî--Iolithe et le coke de pétrole. 3.2. Equilibre thermique des cuves Comme indiqué dans le paragraphe 2.3, une grande partie de l'énergie fournie à la cellule est perdue parc REE Wl Janvier2006 Repères LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L'ÉLECTROCHIMIE Fonctionnement normal Effet d'anode i (+) I, 1 1 Anode l)D 4V) (D ( t (D z - c--- 0 - 1) I-J (D , - col (g) [A'2031 -2,5% nappe d'aluminium ï Ivl+iil i Anode f15-5 f ( ! CF,! "' "\' " \ !/" " " " !5 50 Y. _ -- " [AI,03] < 1% Arcs électrii v LI nappe d'aluminium \,,..-' 1 CF4 (9) 1 : ! Arcs électriquesIl Figcare8. Représentation schéniatiqtte de l'effet d'aiiode. dissipation de la chaleur produite par effet Joule. L'équilibre thermique de la cuve d'électrolyse, qui détermine partiellement sa durée de vie, est donc l'un des aspects les plus importants de la gestion du procédé. La cuve est protégée par une isolation thermique de manière à maintenir constante la température du bain et à entretenir une couche d'électrolyte solide (la croûte sur la figure 5) d'une épaisseur suffisante. Des progrès importants ont été réalisés pour réduire les pertes de chaleur grâce à une meilleure conception technologique et à une amélio- ration des propriétés des matériaux réfractaires utilisés pour l'isolation [6]. 3.3. Champs magnétiques Pour la régularité de marche, la surface de la nappe d'aluminium devrait être, dans l'absolu, d'une planéité parfaite. Cependant, dès que l'intensité dans les cuves a atteint 30 à 40 000 ampères, dans les années 1920-1930, des effets électromagnétiques sont apparus, causés par l'interaction du métal liquide avec les lignes de courant. Ces effets créent des oscillations de la nappe d'aluminium et des vagues entre divers points de la cuve, allant jusqu'à provoquer des " giclées " de métal fondu hors de la cuve. Bien qu'ils soient maintenant partiellement contrôlés, les effets électromagnétiques limitent la distance minima- le entre l'anode et la nappe d'aluminium à environ 4-5 cm, de manière à éviter les courts-circuits. Comme la chute ohmique à travers l'électrolyte est responsable d'une perte importante d'énergie (cf. figure 7), ces effets diminuent l'efficacité énergétique globale du procédé. 3.4. Effet d'anode L'effet d'anode [7] est principalement caractérisé par une soudaine augmentation de la tension aux bornes de la cuve, qui passe d'environ 4 V à une valeur comprise entre 15 V et 50 V. Il se produit lorsque la concentration en alumine à proximité de l'anode descend en dessous d'un certain seuil (- 1 % massique). Comme l'illustre la figure 8, ce phénomène se traduit par la formation d'une fine couche de gaz à la surface de l'anode, qui bloque le passage du courant. Les effets d'anode étaient par le passé largement acceptés dans les opérations normales d'une cuve, à raison d'environ un par jour et par cuve. Ils permettaient notamment de contrôler le taux d'alumine du bain, et d'homogénéiser la surface des anodes. Cependant, ce phénomène représente une perte d'énergie importante et perturbe l'équilibre thermique de la cuve. De plus, il est responsable de l'émission de gaz à effet de serre, les perfluorocarbones. Les technologies actuelles visent donc à réduire le nombre d'effets d'anode, principalement grâce à l'automatisation des ajouts en alumine et des contrôles de l'évolution de la tension des cuves. Le taux classique d'effet d'anode est de l'ordre de 0,1 par cuve et par jour. 3.5. Usure des blocs cathodiques Les blocs cathodiques en carbone placés sous la nappe d'aluminium liquide subissent une lente dégradation produite par différents facteurs : . l'érosion mécanique due aux mouvements abrasifs de la nappe d'aluminium, a la pénétration progressive d'aluminium, de sodium et de cryolithe, a la formation de carbure d'aluminium (Al4C,) qui est soluble dans l'électrolyte, a la modification de la structure du carbone due aux effets thermiques et aux contraintes mécaniques. Ces phénomènes aboutissent, après environ 5 ans, à une rupture qui nécessite l'arrêt définitif de la cuve. REE ? t Janvier2006 Production d'aluminium par électrolyse L'amélioration de la résistance à l'usure des blocs cathodiques, permettant d'augmenter la durée de vie de la cuve et donc de diminuer les coûts de production, est l'un des grands thèmes de recherche lié au procédé d'électrolyse [8]. 4. Aspects environnementaux de l'électrolyse Comme tout procédé métallurgique, la production de l'aluminium génère des émissions gazeuses et des déchets en quantité importante, dont la nature produit des effets néfastes sur l'environnement. 4.1. Traitement des résidus et des fumées 4.1.1. Résidus du procédé Les blocs cathodiques contiennent des fluorures et des cyanures et constituent des déchets dangereux. Ils sont en partie réutilisés dans la fabrication de nouveaux brasquages, mais également entreposés dans l'attente de la mise au point d'un traitement approprié. Aujourd'hui, certains procédés permettent de neutraliser les composants nuisibles. Les sels constituants l'électrolyte, ainsi que les résidus d'anodes, sont eux presque intégralement recyclés. 4.1.2. Epuration des effluents Le problème de l'épuration des gaz d'électrolyse a pris de l'importance avec les augmentations de capacité des usines d'électrolyse, quand il est apparu que les rejets, sous forme de fluor particulaire et de fluor gazeux (principalement le fluorure d'hydrogène HF), causaient des dégâts à proximité des usines. Les gaz provenant de l'évaporation de l'électrolyte sont donc traités dans des tours de lavage permettant de précipiter le fluor sous forme de fluorure de calcium (CaF2) qui peut être réutilisé dans l'électrolyte. Le passage des gaz à travers la poudre d'alumine destinée à l'électrolyse permet par ailleurs, grâce une réaction d'adsorption de HF sur l'alumine, de fixer plus de 98 % des émissions tout en améliorant les propriétés de la matière première. Les émissions d'oxyde de soufre (S02), d'hydrocarbures polyaromatiques (HAP) et de poussières de carbone pro- venant de la préparation et de la combustion des anodes sont également sources de pollution. 4.2. Emissions de gaz à effet de serre Les problèmes environnementaux induits par le déga- gement massif de C09 et, dans une moindre mesure de perfluorocarbones (PFC), dans l'atmosphère représentent une préoccupation assez récente liée au procédé Hall-Héroult, depuis qu'il est avéré que ces gaz participent au réchauffement climatique. Les mesures établies en 1997 par le protocole de Kyoto tendent à instaurer des quotas d'émissions et concernent donc l'industrie de l'aluminium. La réaction d'électrolyse produit des quantités importantes de dioxyde de carbone : la production annuelle d'aluminium (22 millions de tonnes) aboutit au dégagement dans l'atmosphère d'environ 45 millions de tonnes de dioxyde de carbone. Le tétrafluorométhane (CF4 (g »et l'hexafluorométhane (C2F6 (,,) sont la deuxième classe de gaz à effet de serre produits par le procédé. Ces PFC sont produits lors de l'effet d'anode, à raison d'environ 1 kg de CF4partonne d'aluminium. D'une stabilité de l'ordre de plusieurs milliers d'années, ces composés absorbent dix mille fois plus le rayonnement infrarouge que le dioxyde de carbone. Ils ne se forment pas dans la nature, et l'industrie de l'aluminium en est la première source dans le monde. Seule une amélioration dans la gestion du procédé, en réduisant drastiquement la fréquence des effets d'anode, semble pouvoir permettre de supprimer les émissions. Par ailleurs, la production d'électricité pour l'électrolyse représente indirectement une source de production importante de gaz à effet de serre. Comme l'illustre la figure 9, près d'un tiers de l'électricité produite pour l'industrie de l'aluminium provient de centrales à charbon [1]. Au niveau mondial, 70 % des gaz à effet de serre (en équivalentC02) émis pour la production de l'aluminium proviennent de la combustion des énergies fossiles destinées à la production d'électricité pour les différentes opérations du procédé (production de l'alumine, confection des anodes, électrolyse). La réduction des émissions passe donc également par une modification des moyens de production de l'énergie.c ,1 Total1 Pétrole fJJ Nucléaire Gaznaturel 4 Charbon Hydroélectriclté i 0 50 100 150 200 250 300 Energieélectrique utiliséeen2003(TWh) 1 1 Figt (re 9. Soitrces et clitaiitité d'éiiergie électriqite (eii téi-a- watthettres) ittilisées daiis le moiide potir la prodbiction d'alit- miniunz par électrolyse (soitrce.- [1]). REE ? 1 Janvier2006 Repère LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L'ÉLECTROCHIMIE 5. Conclusion Le procédé Hall-Héroult a sans cesse été modernisé depuis sa création, les objectifs principaux étant une amélioration de la productivité et du rendement de la réaction de dépôt, ainsi qu'une réduction du coût des investissements et des émissions polluantes. Pour ce faire, l'évolution industrielle a conduit à l'augmentation de l'ampérage des cuves, qui de 4 000 A dans les années 1900, est passé à plus de 300 000 A pour les usines modernes. Des projets d'usine de 500 000 A sont actuellement à l'étude, mais leur mise au point reste problématique. Seules des améliorations minimes restent possibles sans changement de technologie, les limites imposées par la thermodynamique de la réaction ainsi que par la confi- guration des cellules étant atteintes. Bien que d'autres méthodes de production de l'aluminium soient envisagées (par carboréduction à 2000° C, par réduction des chlorures d'aluminium), il n'existe aucune technologie capable de réduire la consommation en énergie de manière suffisante pour justifier le remplacement du procédé actuel. En conséquence, l'industrie de l'aluminium poursuit la recherche dans deux voies technologiques destinées à l'amélioration du procédé existant : les cathodes mouillées par l'aluminium et les anodes non consommables. La thématique de recherche sur les cathodes est liée au fait que l'aluminium mouille très mal les matériaux carbonés constituant actuellement les blocs cathodiques. Pour établir une surface de métal liquide plane, une couche épaisse d'aluminium (10-40 cm) est nécessaire, ce qui induit des instabilités de la nappe (cf. paragraphe 3.3). De manière à éviter ces inconvénients et à diminuer la distance anode-métal, des matériaux bien mouillés par l'aluminium sont recherchés. Des matériaux composites à base de carbone-TiB2 sont proches de l'application industrielle, ils permettent de réduire l'épaisseur de la couche de métal à quelques centimètres. La technologie associée à une telle cathode permet de plus de réaliser des cellules avec un fond légè- rement incliné, de sorte que le drainage du métal peut être réalisé en continu. La nature du matériau constituant l'anode fait également l'objet de recherches. Contrairement au procédé actuel, pour lequel l'anode en carbone est consommée, l'utilisation d'une anode ne panicipant pas à la réaction électrochimique permettrait de réaliser la décomposition de l'alumine selon : 2A'203 (cryolithe) électrolyse ->4AI (Ifquide) + 302 (gaz) Une telle anode, généralement désignée sous le terme d'anode inerte, d'anode non consommable ou encore d'anode à dégagement d'oxygène, permet idéalement de remplacer le dégagement de dioxyde de carbone par celui de l'oxygène. En pratique, et malgré une recherche remontant à la découverte du procédé Hall-Héroult et toujours très active (130 brevets relatifs à ce sujet ont été déposés entre 1985 et 1999), tous les matériaux d'anode étudiés jusqu'ici se dissolvent plus ou moins rapidement dans la cryolithe. La mise au point d'un tel matériau représenterait une avancée considérable du point de vue du développement durable et reste un défi pour l'industrie de l'aluminium [9, 10]. Références [1] [2] (31 [4] 51 [6] [7] Historical IAI Statistics, The International Aluminium Institute, http ://vvvvw.vvorld-aluminium.org (2004). F. HERBULOT, "Récupération et recyclage de l'alumi- n/um. Stratégie ", Techniques de l'ingénieur - traité "Elaboration et recyclage des métaux " réf. M 2345 2001). K. GRJOTHEIM and H. KVANDE, " Understanding the Hall-Heroult Process for the Production of Aluminium Aluminium-Veriag, Dusseldorf (1986). J. THONSTAD, P. FELLNER, G.M. HAARBERG, J. HIVES, H. KVANDE and A. 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SADOWAY, " Inert Anodes for the Hall-Héroult Cel/.'The Ultimate Matenals Challenge ", JOM-Journal of Minerals, Metals and Materials, 53, 5 (2001) 34-35. EEj ETj Laurent Cassayrea obtenu le diplôme d'ingénieurde !'ESPCen 2000. Entre 2000et 2005, il a participéà des projets de rechercheconcernant le procédé d'électrolyse de aluminium, en relation avec le Centre de Recherche de Voreppe de Pechiney, tout d'abord à l'Université de Toronto (Canada),puis à Université Paul Sabatier de Toulouse. II a D5dans le domaine de l'électrochimie danssoutenu un doctorat en 2005 dans le domaine de l'électrochimie dans les milieux fondus à haute température. Il est actuellement chercheur post-doctorantà l'Institut des Transuraniensde Karlsruhe(Allemagne). REE WI Janvier2006