Métallurgie solaire basée sur des réducteurs renouvelables ou bio-sourcés – MetaSol

Dans un premier temps, les températures optimales et les données cinétiques des différentes réactions de réduction seront étudiées dans un simulateur solaire. Deux familles de réactions seront étudiées, correspondant à deux gammes de température différentes : les réactions conduisant à la production de fer pur sous forme solide (600-1200°C) et les réactions conduisant à la production de fonte liquide à haute température (>1500°C). Les produits des réactions seront analysés (phase, pureté) et la facilité de séparer la phase riche en fer (fer pur ou fonte) des autres sous-produits évaluée.
En parallèle, un réacteur solaires à flux de matière continu, et adapté à une puissance thermique solaire de 1.5 kW sera développé. Il permettra l’injection continue de poudre de minerai et l’extraction en continu des produits de réaction. Les réacteurs seront testés en conditions réelles en utilisant les installations solaires de PROMES (Odeillo), et l’influence des différents paramètres expérimentaux sur les rendements et la qualité des produits déterminée.
Le procédé de métallurgie solaire sera modélisé par deux approches (modèle CFD (Computational Fluid Dynamics) et simulation globale en dynamique) qui seront validées par comparaison avec les résultats expérimentaux. Le modèle CFD permettra notamment de déterminer les profils de température dans l’écoulement afin de dimensionner des réacteurs adaptés à une production industrielle. La simulation dynamique du système permettra de fournir des données nécessaires à l’analyse de cycle de vie (ACV) du procédé, en particulier de prédire les productions envisageables en prenant en compte la variabilité saisonnière et journalière de l’irradiation solaire.
Les bilans complets masse-énergie des procédés, estimés à partir des expériences et modélisations précédentes, seront utilisés dans l'ACV. Des unités de production à différentes échelles (de 100 kW à 100 MW) seront modélisées et leurs impacts environnementaux évalués par ACV. Les impacts liés à l’utilisation des différents types de réducteurs seront évalués, soit à partir des bases de données existantes, soit en détaillant les procédés dans le cas des réducteurs produits à partir de bio-ressources renouvelables. Seront également étudiés et comparés deux régimes de production : i) production discontinue en raison de l’intermittence ; ii) production continue avec stockage d’énergie ou hybridation. Différents scénarios seront étudiés en combinant la taille de l’usine, le type de réducteur, son mode de production, et le régime de production. Les impacts globaux de ces différents scénarios seront comparés avec ceux des haut-fourneaux et des procédés de réduction directe. Des conclusions économiques seront également tirées de ces résultats, la métallurgie solaire ne pouvant devenir économiquement rentable que si les impacts environnementaux sont pris en compte dans l’analyse économique, notamment via l’augmentation de la taxe carbone.

Les résultats principaux déjà obtenus sont les suivants :
- le simulateur solaire est complètement achevé et fonctionne de manière routinière (avril 2021).
- la réduction de boulettes d’oxyde de fer industrielles a été couronnée de succès, avec comme réducteur l’hydrogène et l’ammoniac. Une analyse de l’influence de la température sur le taux de réduction a été réalisée dans une diffraction de rayons X à température variable. Les expériences dans le simulateur solaire ont confirmé la possibilité de réduire l’oxyde de fer sous flux lumineux (septembre 2021)
- les boulettes réduites ont été caractérisées par diffraction de rayons X et par microscopie électronique à balayage. Après optimisation du procédé, des taux de conversion oxyde fer de plus de 90% ont été obtenus (juillet 2022). L’écriture d’un article va débuter.
- le réacteur en continu a été conçu sur plan en interne à PROMES (entre automne 2021 et printemps 2022). La construction du réacteur est réalisée par l’intermédiaire de la fourniture d’un ensemble de pièces mécano-soudées, attribuée à la société REMCO après procédure d’appel d’offre. La fabrication des différents composants du réacteur a débuté en juillet 2022.
- Le cycle de vie (ACV) d’une parabole solaire destinée à la cuisson a été réalisé, comme étape préliminaire avant la réalisation de l’ACV du procédé de métallurgie solaire (septembre 2022). Le procédé solaire a été comparé à des méthodes classiques (induction, bruleur à gaz, plaque électrique). Un article est en cours en finalisation.

Dans les prochains mois, les résultats expérimentaux de réduction du minerais à l'échelle laboratoire seront affinés.
Le réacteur pilote utilisant l'énergie solaire concentrée sera construit et mis en fonctionnement pour les premiers tests.
En parallèle, l'ACV des filières de production des réducteurs choisis seront réalisés, avec la modélisation du réacteur solaire.
A la fin du projet, nous aurons une vision d'ensemble de la faisabilité de la décarbonation de la sidérurgie dans les prochains décennies.

Les premiers travaux réalisés on donné lieu à deux participations à des congrès internationaux.

La métallurgie représente 7% des émissions de gaz à effet de serre mondiales, et la décarboner est un enjeu majeur. Nous proposons de développer des procédés basés sur l’utilisation directe de l’énergie solaire concentrée et de différents réducteurs décarbonés (hydrogène, ammoniac) ou biosourcés (urée, bio-méthane), et d’évaluer leurs impacts environnementaux. Ceci permettra d’identifier un procédé de production de fer et/ou de fonte à partir de minerai d’oxyde de fer présentant des impacts environnementaux minimisés.
Dans un premier temps, les températures optimales et les données cinétiques des différentes réactions envisagées seront étudiées dans un simulateur solaire (350 W thermique) et dans la chambre environnementale haute-température d’un diffractomètre à rayons X. Deux familles de réactions seront étudiées, correspondant à deux gammes de température différentes: les réactions conduisant à la production de fer pur sous forme solide (600-1200°C) et les réactions conduisant à la production de fonte liquide à haute température (>1500°C). Les produits des réactions seront analysés (phase, pureté) et la facilité de séparer la phase riche en fer (fer pur ou fonte) des autres sous-produits évaluée.
En parallèle, deux réacteurs solaires à flux de matière continu, de technologies différentes (chauffage par rayonnement direct ou indirect) et adaptés à une puissance thermique solaire de 1.5 kW seront développés. Ils permettront l’injection continue de poudre de minerai et l’extraction en continu des produits de réaction. Les matériaux les plus adaptés à la construction du récepteur/réacteur seront déterminés. Les réacteurs seront testés en conditions réelles en utilisant les installations solaires de PROMES (Odeillo), et l’influence des différents paramètres expérimentaux (taille des particules d’oxyde, agent réducteur, débit des réactifs, température) sur les rendements et la qualité des produits déterminée.
Le procédé de métallurgie solaire sera modélisé par deux approches (modèle CFD (Computational Fluid Dynamics) et simulation globale en dynamique) qui seront validées par comparaison avec les résultats expérimentaux. Le modèle CFD permettra notamment de déterminer les profils de température dans l’écoulement afin de dimensionner des réacteurs adaptés à une production industrielle. La simulation dynamique du système permettra de fournir des données nécessaires à l’analyse de cycle de vie (ACV) du procédé, en particulier de prédire les productions envisageables en prenant en compte la variabilité saisonnière et journalière de l’irradiation solaire.
Enfin, les impacts environnementaux de la métallurgie solaire à large échelle seront étudiés. A cette fin, les bilans complets masse-énergie des procédés, estimés à partir des expériences et modélisations précédentes, seront réalisés. Des unités de production à différentes échelles (de 100 kW à 100 MW) seront modélisées et leurs impacts environnementaux évalués par ACV. Les impacts liés à l’utilisation des différents types de réducteurs seront évalués, soit à partir des bases de données existantes, soit en détaillant les procédés dans le cas des réducteurs produits à partir de bio-ressources renouvelables. Seront également étudiés et comparés deux régimes de production : i) production discontinue en raison de l’intermittence ; ii) production continue avec stockage d’énergie ou hybridation. Différents scénarios seront étudiés en combinant la taille de l’usine, le type de réducteur, son mode de production, et le régime de production. Les impacts globaux de ces différents scénarios seront comparés entre eux, mais également avec ceux des haut-fourneaux et des procédés de réduction directe. Des conclusions économiques seront également tirées de ces résultats, la métallurgie solaire ne pouvant devenir économiquement rentable que si les impacts environnementaux sont pris en compte dans l’analyse économique, notamment via l’augmentation de la taxe carbone.