Abonnez-vous Identifiez-vous

Identifiez-vous

Vos codes d'accès sont erronés, Veuillez les saisir à nouveau. Mot de passe oublié ?

L'Usine Matières premières

Aluminium : produire autrement

,

Publié le

Le coût croissant de l'énergie et les exigences environnementales stimulent les recherches sur l'amélioration du procédé d'électrolyse de l'alumine. En attendant des procédés alternatifs

Aluminium : produire autrement

La production mondiale d'aluminium primaire, soit 24 millions de tonnes en 2006, repose toujours sur un brevet déposé en... 1886. C'est dire si le procédé Hall-Héroult a fait ses preuves. Certes, 120 ans après, si le principe est resté le même (l'électrolyse de l'alumine dissoute dans un sel fondu), l'efficacité du procédé a considérablement progressé. Mais deux inconvénients persistent : l'électrolyse de l'alumine reste un gros consommateur d'énergie, et un grand producteur de gaz à effet de serre.

Ces préoccupations de plus en plus prégnantes guident les projets de recherche des grands producteurs d'aluminium. Alcan a ainsi récemment annoncé le lancement d'un programme qui vise à améliorer de 20 % l'efficacité énergétique de la cuve d'électrolyse, tout en réduisant les conséquences environnementales du procédé. Ces études seront menées en France, en région Rhône-Alpes, et impliqueront le centre de R et D de Voreppe, le laboratoire de Saint-Jean-de-Maurienne (Savoie), axé sur la production, et les équipes de Carbone Savoie (production de cathodes), récemment entrées dans le groupe. Cette initiative se traduira par 70 millions de dollars d'investissements dans la région en 2007.

Parallèlement à ces recherches, dont l'objectif est de réaliser de véritables sauts technologiques, le procédé traditionnel ne cesse de s'améliorer. Alcan - qui en achetant Pechiney en 2003 est devenu leader mondial des technologies de production de l'aluminium - annonce ainsi la construction au Québec d'un pilote industriel de sa nouvelle génération AP50 de cuves d'électrolyse, d'une capacité de 60 000 tonnes par an. La relance d'un programme de développement initié par Pechiney, qui illustre la progression de la productivité du procédé. Une cuve de l'AP50, longue de 18 mètres et fonctionnant à 500 kilo ampères (contre 14 mètres de long et 300-330 kilo ampères pour la précédente génération AP30), produira 4 tonnes d'aluminium par jour, contre 2,3 tonnes pour l'AP30 (années 1990), et 1,5 tonne pour l'AP18 (années 1980). Une progression qui se traduit par une réduction du coût d'investissement à la tonne produite.

Au-delà des questions de productivité, l'industrie de l'aluminium primaire s'efforce aussi de diminuer l'« empreinte environnementale » de l'électrolyse. La dépense d'énergie a été divisée par quatre depuis l'origine du procédé, tandis que la réduction de l'émission de PFC (perfluorocarbures) - un kilo de CF4 (tetrafluorocarbone) équivaut, en termes d'effet de serre, à 7 000 kilos de CO2... - est devenue une priorité. La quantité de gaz émise par kilo d'aluminium a globalement été réduite de 60 % lors de la précédente décennie, selon l'International Aluminium Institute.

Les clés de l'efficacité

Les enjeux

  • L'électrolyse consomme au minimum 12 à 13 MWh d'énergie (1/3 du coût de production du métal) et émet 3,5 tonnes d'équivalent C02 par tonne d'aluminium produite.
  • Les marges de manoeuvre pour réduire l'empreinte énergétique et environnementale sont limitées.
  • Des techno-logies de ruptures existent, mais leur mise en oeuvre industrielle nécessite la levée d'obstacles techniques ou économiques.
Les efforts se poursuivent donc pour accroître peu à peu l'efficacité du procédé. D'abord en augmentant sa stabilité. Elle s'est beaucoup améliorée au fil des ans, grâce aux progrès dans la conception des cuves et à l'informatisation du contrôle de procédé. « Avec un rendement en courant de plus de 96 %, on est proche de l'asymptote », reconnaît Claude Vanvoren, directeur technologies et recherche-développement de la branche métal primaire chez Alcan. Mais des gains sont encore possibles, en minimisant les périodes pendant lesquelles le rendement chute : extraction de l'aluminium produit, changement d'anodes...

L'autre paramètre clé de l'efficacité de la cuve est la distance anode-cathode (dont le réglage doit compenser la consommation de l'anode). Là aussi, d'importants progrès ont déjà été réalisés, notamment à l'aide de la simulation numérique, pour minimiser cette distance qui conditionne la quantité d'énergie nécessaire par kilo d'aluminium produit. Mais des marges subsistent encore. Aujourd'hui, le grand sujet est la réduction de l'« effet d'anode », soit la formation périodique d'une poche de gaz entre les électrodes qui augmente la tension de la cuve. Le phénomène est aussi responsable de l'émission des PFC. « Le "taux d'effet d'anode", c'est-à-dire le nombre d'effets par cuve et par jour, était récemment compris entre 0,15 et 0,3. Il a aujourd'hui chuté en deça de 0,05. L'objectif est d'arriver à zéro », affirme Claude Vanvoren.

Il n'en reste pas moins que l'électrolyse approche de ses limites en termes d'efficacité. C'est pourquoi tous les grands producteurs d'aluminium (Alcan, Alcoa, Rusal, Hydro) travaillent sur des technologies qui permettraient de les repousser, sans toutefois changer de procédé. Leurs espoirs portent sur deux solutions innovantes : l'anode inerte et la cathode drainée. Et sans doute sur le couplage des deux.

Des ruptures techniques en attente

L'anode inerte, c'est le remède au péché originel du procédé Hall-Héroult : la consommation rapide de l'anode en carbone, qui, de plus, produit du CO2. Plusieurs pistes sont explorées (anode métallique, céramique, cermet), avec des objectifs ambitieux : un changement d'anode tous les dix-huit mois au lieu de toutes les trois semaines ! Et, du même coup, une éradication du CO2 issu du procédé : l'électrolyse fabrique de l'oxygène à l'anode.

Alcoa s'est beaucoup impliqué ces dernières années dans cette technologie. Le producteur américain a indiqué qu'il escomptait réduire ses émissions de gaz à effet de serre de 50 % par rapport à 1990... si la technologie de l'anode inerte était un succès. Seul bémol : ces anodes sont moins efficaces sur le plan énergétique. Les études actuelles s'efforcent de régler ce handicap. Quant à l'autre rupture technologique envisagée, la cathode drainée, elle vise à réduire encore la distance entre les électrodes. Grâce à un revêtement en diborure de titane, qui rend la cathode « mouillable » par l'aluminium, et à un système de drainage du métal fondu, seule une mince couche d'aluminium liquide subsiste sur la cathode, ce qui évite la formation de « vagues » par les champs magnétiques de la cuve, et permet de rapprocher les électrodes. Mais des problèmes de matériaux subsistent, et l'équation économique d'une cuve utilisant simultanément l'anode inerte et la cathode drainée doit encore être optimisée.

A l'horizon de cinq à dix ans, ces techniques redonneraient une marge de manoeuvre aux producteurs d'aluminium. Mais l'électrolyse de l'alumine n'est pas le seul moyen d'obtenir le métal, et plusieurs procédés alternatifs sont à l'étude. Souvent depuis longtemps. « La plupart des alternatives repose sur de vieilles idées, qui se sont heurtées à des problèmes techniques ou économiques », relève Claude Vanvoren. Telle la carbothermie - réduction de la bauxite ou de l'alumine par le carbone à haute température. Reynolds, société américaine achetée par Alcoa en 2000, s'y est frottée dans les années 1970-1980. Tout comme Pechiney, Alcan, et récemment Alcoa avec le norvégien Elkem.

L'objectif est d'aboutir à un procédé moins cher, plus économe en énergie, et qui produit moins de CO2. Mais les hautes températures atteintes par le procédé continuent, semble-t-il, de poser des problèmes de matériaux. Jusqu'à maintenant, les difficultés techniques et les contraintes de coût ont convaincu les producteurs qu'il était urgent... de continuer à miser sur l'électrolyse de l'alumine. Mais la montée en puissance des contraintes énergétiques et environ-nementales pourrait bien changer la donne.

Thierry Lucas

Testez L'Usine Nouvelle en mode abonné. Gratuit et sans engagement pendant 15 jours.

1000 INDICES DE REFERENCE

  • Vous avez besoin de mener une veille sur l'évolution des cours des matières, la conjoncture et les coûts des facteurs de production
  • Vous êtes acheteur ou vendeur de produits indexés sur les prix des matières premières
  • Vous êtes émetteur de déchets valorisables

Suivez en temps réel nos 1000 indices - coût des facteurs de production, prix des métaux, des plastiques, des matières recyclées... - et paramétrez vos alertes personnalisées sur Indices&Cotations.

 

LES DOSSIERS MATIERES

Créez votre compte L’Usine Connect

Fermer
L'Usine Connect

Votre entreprise dispose d’un contrat
L’Usine Connect qui vous permet d’accéder librement à tous les contenus de L’Usine Nouvelle depuis ce poste et depuis l’extérieur.

Pour activer votre abonnement vous devez créer un compte

Créer votre Compte
Suivez-nous Suivre Usine Nouvelle sur Facebook Suivre Usine Nouvelle sur Twitter RSS Usine Nouvelle