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 de la poudre d’oxyde de fer Fe2O3 pur, ainsi que sur des boulettes d’oxyde de fer utilisées dans l’industrie sidérurgique. Les gaz réducteurs cités ont été utilisés purs également. Les meilleurs rendements de conversion atteignent 98% en fer.
Objectifs
Cette troisième thèse va permettre de poursuivre les recherches sur la métallurgie solaire selon trois axes.
Tout d’abord, après la démonstration de la possibilité de réduire des minerais d’oxyde de fer à partir d’ammoniac ou d’hydrogène, nous souhaiterions explorer une voie plus originale. Il s’agirait de pouvoir exploiter directement l’urée contenue dans l’urine en tant que réducteur pour la métallurgie. A cet effet, nous souhaiterions développer un procédé qui permettrait de 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 second axe consistera 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.
Le dernier axe consistera à évaluer la capacité de ce procédé à produire de la fonte Fe3C par adjonction de carbone dans le fer pendant ou après sa réduction. La production directe de fonte présente en effet trois avantages majeurs pour la métallurgie : pureté du produit par séparation physique des impuretés, possibilité de moulage en sortie de réacteur, taux de carbone fixe. L’objectif serait de mettre au point un procédé dans lequel la réduction du minerai et la formation de fonte s’effectueraient en une seule étape.
Dans tous les cas, les matériaux produits seront analysés par diffraction de rayons X et différentes techniques de microscopie (optique, électronique, cartographie chimique). La composition de l’atmosphère gazeuse est également déterminée lors des réductions grâce à la spectrométrie de masse.
Financement
Une bourse de thèse ministérielle a été attribués au LPCNO, mais peut potentiellement à ce stade être attribuée à trois projets différents du laboratoire, dont celui-ci. L’obtention du financement dépendra entre autres de la qualité du candidat.
Profil du candidat
Nous recherchons une étudiant.e initialement spécialisé.e en physique, génie des procédés ou génie chimique, et souhaitant travailler sur l’ensemble des thématiques abordées dans ce projet.
Contacts :
Julian Carrey (julian.carrey@insa-toulouse.fr) et Sébastien Lachaize (slachaiz@insa-toulouse.fr).