La production d’aluminium est un secteur phare de l’économie de plusieurs régions du Québec. Cette industrie nécessite une énorme quantité d’énergie et l’accès à l’hydro-électricité est un atout considérable sur le plan environnemental. Mais est-il possible de réduire encore davantage la consommation d’énergie et le bilan environnemental des alumineries en optimisant le procédé d’électrolyse de l’aluminium? François Allard est persuadé que oui. Ce doctorant au Département de génie chimique et génie biotechnologique y consacre ses recherches. L’étudiant vient d’être couronné du prix Acfas Ressources naturelles 2014 parrainé par Ressources naturelles Canada, et assorti d’une bourse de 5000 $.

Pertes de chaleur

Il faut environ 13 000 kWh d’électricité pour produire une tonne d’aluminium. Dans les cuves d’électrolyse, l’aluminium en fusion est maintenu à des températures qui tournent autour des 1000 ^oC. À cette étape, une certaine quantité d’énergie se dissipe en perte de chaleur. «De plus en plus, les alumineries tentent d’augmenter leur production, mais cela crée des problématiques et accentue le phénomène des pertes de chaleur», dit François Allard, qui s’attaque précisément à ce phénomène.

«Dans les cuves d’électrolyse, on trouve au fond une cathode, et au-dessus, une anode et des matériaux de recouvrement qui génèrent un couvert solide au cours du processus. On observe qu’environ 50 % de la chaleur est perdue par le dessus de la cellule d’électrolyse. L’objectif principal du projet est de comprendre les phénomènes de perte thermique qui se déroulent à l’intérieur des matériaux de recouvrement anodique afin de trouver des solutions pour réduire ces pertes d’énergie. Si au final on parvient à réduire la perte d’énergie ne serait-ce que dans une proportion d’un ou deux pourcents, cela pourrait tout de même signifier des économies importantes, étant donné l’énorme quantité d’énergie nécessaire à l’électrolyse», explique l’étudiant.

Par ailleurs, les matériaux de recouvrement jouent un rôle primordial pour capturer les polluants – des fluors – rejetés par l’électrolyse. Si on peut du même coup réduire la dépense énergétique et l’émission de polluants, le bilan environnemental en sera doublement amélioré, en plus de contribuer à une meilleure hygiène industrielle pour les travailleurs. Le projet de recherche du candidat au doctorat sera réalisé en collaboration avec Rio Tinto Alcan. Le projet de François Allard devrait permettre de lever le voile sur un domaine encore méconnu : «La chimie des matériaux de recouvrement n’est toujours pas explorée complètement par les études scientifiques actuelles, dit-il. De plus, les mécanismes de transfert de chaleur à travers ces matériaux sont peu développés.»

À la croisée des disciplines

En plus de l’objectif principal qui vise à mieux cerner les phénomènes de perte thermique, François Allard mènera un projet qui fait intervenir différentes disciplines. Par exemple, il compte caractériser les matériaux de recouvrement afin de déterminer les compositions chimiques et les propriétés thermiques. Également, à partir de données recueillies en industrie, le chercheur va recourir aux mathématiques et à l’informatique pour développer un modèle numérique des phénomènes thermiques transitoires et prédire le comportement thermique lors de l’électrolyse.

À terme, l’objectif est d’arriver à optimiser la composition des matériaux, ainsi que leur configuration physique pour rendre les opérations de production d’aluminium plus efficientes. «On sait que l’industrie remplace progressivement les équipements moins performants. De plus, la vie utile d’une cuve d’électrolyse est d’environ six à sept ans. Si on parvient à améliorer l’efficacité des futures cuves, les prochaines générations d’équipement pourront aider l’industrie à être plus concurrentielle et moins polluante», explique l’étudiant.