Laboratoires et équipes impliqués :
► Laboratoire porteur du projet : LPCNO (Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets), INSA Toulouse.
► Laboratoires partenaires : TBI (Toulouse Biotechnology Institute), INSA Toulouse. PROMES (Procédés matériaux et Energie Solaire), CNRS, Perpignan. GeM (Institut de recherche en Génie Civil et Mécanique), Ecole Centrale Nantes
Contexte global
Il devient nécessaire – et même urgent – de développer des alternatives aux énergies fossiles, qui contribuent fortement au réchauffement climatique et ne constituent de toute façon pas des solutions technologiques de long terme pour nos sociétés, en raison de leur inévitable épuisement. La principale source d’énergie renouvelable étant l’énergie solaire, il faut réussir à optimiser les technologies qui l’utilisent tout en minimisant leurs impacts environnementaux et sociétaux.
A ce titre, le LPCNO et ses partenaires développent une recherche sur l’évaluation du solaire à concentration pour des procédés thermiques essentiels dans notre société, en lieu et place des énergies fossiles. Ces recherches sont effectuées avec une philosophie low-tech qui n’est pas courante dans les laboratoires de recherche, bien qu’elle soit présente chez les ingénieur·es et étudiant·es scientifiques engagé·es dans la transition. Cette philosophie s’attache à répondre à des besoins essentiels de nos sociétés à partir de technologies simples, robustes, durables, utilisant des ressources abondantes et augmentant l’autonomie des citoyen·nes. Le solaire à concentration, qui utilise directement l’énergie du soleil sans passer par l’électricité (contrairement au photovoltaïque) est en bonne adéquation avec cette philosophie.
Les recherches du LPCNO dans ce domaine se sont focalisées ces dernières années sur un procédé emblématique et central de notre société moderne : la métallurgie. La réduction de l’oxyde de fer en fer métallique (et acier) par le coke est le procédé qui a été à l’origine de la révolution industrielle, et n’a pratiquement pas évolué en 300 ans, pour la raison suivante : à la fois source de chaleur, réducteur, et source de carbone, le coke permet de réduire l’oxyde de fer, de chauffer le réacteur, et de convertir le fer en fonte, qui devient liquide et quitte le réacteur (haut-fourneau). Ce procédé peut être mis en œuvre à très grande échelle sans problème technique majeur, et son succès industriel repose sur l’utilisation d’un charbon bon marché malgré ses impacts environnementaux et sociétaux considérables. Les alternatives décarbonées à ce procédé sont pour l’instant basées sur l’utilisation de fours électriques et de dihydrogène issu de l’électrolyse de l’eau.
Lors d’une thèse précédente (Bastien Sanglard) et d’une thèse en cours (Marion Luu), nous avons démontré qu’il est possible de s’affranchir complètement du charbon dans le procédé en utilisant le solaire à concentration comme source de chaleur et en utilisant l’hydrogène ou l’ammoniac en tant que réducteurs. Ces résultats ont été obtenus sur des boulettes d’oxyde de fer utilisées dans l’industrie sidérurgique. Les meilleurs rendements de conversion atteignent 98% en fer.
Objectifs
Nous souhaitons poursuivre les recherches sur la métallurgie solaire selon trois axes, qui feront l’objet du stage de master et de la thèse à suivre.
Tout d’abord, nous souhaiterions voir s’il est possible de produire directement de la fonte (Fe3C) en une seule étape par adjonction de carbone dans le fer avant la réduction. La production directe de fonte présente en effet trois avantages majeurs pour la métallurgie : la pureté du produit par séparation physique des impuretés, la possibilité de moulage en sortie de réacteur et un taux de carbone fixe.
Le deuxième objectif serait de pouvoir exploiter l’urée contenue dans l’urine en tant que réducteur pour la métallurgie. Tout d’abord nous souhaiterions établie la preuve de concept que cela est possible, en décomposant l’urée par le flux lumineux au cours de la réaction. Pour aller plus loin, nous souhaiterions également réussir à former directement des complexes de fer et d’urée à partir d’urine. De tels complexes pourraient constituer les réactifs de départ du procédé de métallurgie.
Un dernier axe consisterait à évaluer l’utilisation d’autres minerais que l’oxyde de fer pour la réaction, car le fer sur terre est présent sous d’autres formes que l’oxyde. Le carbonate de fer et les hydro-oxyde de fer, notamment, sont des sources abondantes de fer. Il s’agira d’étudier si le procédé de métallurgie solaire est compatible avec ces composés.
L’équilibre entre les trois axes au cours du stage et/ou de la thèse sera fait en fonction des profils et préférences de l’étudiant·e.
Dans tous les cas, les matériaux produits seront analysés par diffraction de rayons X, différentes techniques de microscopie (optique, électronique, cartographie chimique) et de spectroscopie (spectroscopie infra-rouge et UV-visible). La composition de l’atmosphère gazeuse au cours de la réaction est déterminée grâce à la spectrométrie de masse, qui fournit des informations sur la dynamique de la réaction.
Financement
Le stage de master sera défrayé au tarif légal en vigueur (environ 680€/mois). Une bourse de thèse ministérielle a été attribuée à l’équipe de recherche, mais peut potentiellement à ce stade être attribuée à deux projets différents de l’équipe, dont celui-ci. L’obtention du financement dépendra entre autres des qualités de la candidate ou du candidat.
Profil de la candidate ou du candidat
Nous recherchons un·e étudiant·e initialement spécialisé·e en physique, génie des procédés ou génie chimique et ayant un fort intérêt pour les enjeux environnementaux.
Contacts : Julian Carrey (julian.carrey@insa-toulouse.fr), Sébastien Lachaize (slachaiz@insa-toulouse.fr).