Projet pilote H2020 SisAl : Projet pilote innovant pour la production de silicium à faible impact environnemental à partir de matières premières secondaires d'aluminium et de silicium.
- Taper Projet
- État Firmado
- Exécution 2020 -2024
- Budget alloué 11.942.623,43 €
- Portée Europeo
- Principale source de financement H2020
- Site Web du projet Proyecto SisAl Pilot
La réduction carbothermique dans les fours à arc submergé (SAF) est actuellement utilisée pour la production de silicones, qui jouent un rôle clé dans de nombreuses industries, de l'électronique et des transports aux produits chimiques, aux cosmétiques et à la construction. Le projet pilote SisAl, financé par l’UE, développe un procédé alternatif rentable et respectueux de l’environnement.
Le procédé SisAl implique la réduction aluminothermique du quartz en scories en utilisant des matières premières secondaires, telles que des déchets d'aluminium et des scories, comme substituts aux réducteurs de carbone actuellement utilisés. Avec une meilleure valorisation des flux de déchets et des sous-produits, une consommation d’énergie plus faible et une réduction des émissions de CO2 et de polluants nocifs, elle est décrite comme une approche innovante. En outre, cela contribue de manière significative à la « circularité », où l’industrie de l’aluminium agira à la fois comme fournisseur de matières premières et comme utilisateur final.
Une cartographie détaillée des ressources en matières premières et une caractérisation initiale des matières premières potentielles à utiliser dans le procédé pilote SisAl ont été réalisées. Les résultats de la cartographie des matières premières, ainsi que les résultats de l’évaluation détaillée de l’analyse de rentabilisation, montrent qu’il faudrait mettre davantage l’accent sur les sources potentielles d’aluminium à l’avenir. L'accent du travail de laboratoire à petite échelle sur le côté pyrométallurgique du projet a été mis sur la compréhension de l'impact des différentes matières premières et paramètres de processus sur le processus SisAl et sur la préparation des essais pilotes à Elkem, RWTH, FRey et Mintek.
Sur la base des résultats obtenus à la NTNU, Elkem a réalisé 22 tests pilotes, avec différents types de matières premières et paramètres de processus. Les résultats de ces expériences ont vérifié que les expériences à petite échelle menées à la NTNU sont représentatives des expériences à grande échelle en termes de composition des matières premières et des produits, ainsi que d’interaction avec les matériaux des creusets en graphite.
Les travaux expérimentaux ont été complétés par des travaux de modélisation réalisés par SIMTEC et ITMATI. Les scories d'Elkem ont été envoyées à Mytilineos et NTUA Grèce pour être utilisées dans des tests hydrométallurgiques à petite et à l'échelle pilote, et le silicium produit (> 98 % Si) a été envoyé à Silicor pour une purification supplémentaire en Si-SoG. La NTUA a réalisé une modélisation et un dépistage à l’échelle du laboratoire des conditions optimales pour l’extraction de l’alumine des scories. Les recherches menées comprenaient l'optimisation de la cristallisation des phases alcalines lixiviables dans les scories produites, la modélisation et les tests de la lixiviation alcaline des scories, la modélisation de la précipitation de l'alumine à partir de solutions de lixiviation alcaline, la modélisation et les tests de la lixiviation acide des scories, la modélisation et les tests de la précipitation du chlorhydrate d'aluminium (ACH) à partir de solutions de lixiviation acide et le raffinage des solutions ACH pour atteindre des niveaux de pureté élevés.
Les résultats obtenus au cours des 18 premiers mois montrent que les scories produites sont/peuvent être adaptées à la lixiviation alcaline et acide.
Des rendements de lixiviation de l'aluminium de 100 % et 65 % ont été obtenus respectivement dans les lixiviations acides et alcalines. La précipitation de l'alumine à partir de la solution acide produite et raffinée a permis à ce jour de produire de l'alumine d'une pureté de 99,9 %. BNW a mis à jour ses analyses de faisabilité européennes à court terme au cours de la première période de rapport avec des informations plus détaillées sur les rendements des processus et les prix des matériaux, produisant des estimations globalement positives de la performance économique.
Toutefois, les perspectives commerciales pour la fabrication d’alumine de qualité métallurgique (MGA) à partir de scories CaO-AlO fabriquées avec SisAl semblent moins prometteuses à ce stade que les estimations initiales. D’autres marchés commerciaux nécessitant ces scories en grandes quantités, tels que la fabrication d’acier secondaire et de clinker de ciment, seront étudiés plus en détail au cours de la prochaine période du projet. Des modèles de diagrammes de flux ont été établis à l'aide de HSC Sim/FACTSage, de l'évaluation environnementale du procédé SisAl et du développement d'une infrastructure d'échange de données.
Les modèles HSC Sim, développés par HZDR, incluent :
- Diagrammes de flux individuels pour les opérations unitaires pyrométallurgiques et hydrométallurgiques du procédé SisAl pour la production de silicium et d'alumine.
- Le procédé conventionnel du four à arc submergé (SAF) pour la production de silicium. Les modèles de schémas de flux ont généré des bilans de masse et d'énergie pour les procédés SisAl et SAF.
La NTNU a ensuite effectué une comparaison des impacts environnementaux entre les procédés SAF et SisAl conventionnels à l'aide d'une analyse du cycle de vie (ACV). Les données nécessaires à l’évaluation de l’impact environnemental ont été obtenues à partir des modèles d’organigrammes développés. Cette évaluation a montré que le procédé SisAl présente de meilleures performances environnementales que le procédé SAF dans presque toutes les catégories d’impact considérées. Enfin, une stratégie détaillée de diffusion et de communication, ainsi qu’un kit de diffusion, ont été créés.
Plus précisément, un site Web, des comptes de médias sociaux, un système de partage de fichiers (espace d’innovation) et une vidéo promotionnelle pour le concept SisAl ont été créés. Récemment, une série de vidéos et une vidéo plus longue sur les expériences pilotes d'Elkem ont été réalisées et seront publiées sur les réseaux sociaux de SisAl Pilots début 2022. De plus, SisAl Pilot a été présenté lors de l'atelier RMIS, un événement organisé par l'Association européenne de l'aluminium (EAA) à l'automne 2021, et lors de diverses conférences telles que Infacon XVI, RawMat, Silicon for the Chemical and Solar Industry XVI, CRU Silicon Conference et Life Cycle Management Conference.
Le projet pilote SisAl vise à démontrer un nouveau procédé industriel au niveau TRL 6-7 pour produire du silicium (Si), matière première critique (CRM), dans différentes qualités : qualité métallurgique (MG-Si, >98 %), silicium de haute pureté (HP-Si, >99,9 %), qualité solaire (SoG-Si, >6N) et alliages Al-Si, ainsi que de l'alumine de qualité métallurgique (MGA) et/ou de l'alumine de haute pureté (HPA). Le SisAl représente une alternative écologiquement et économiquement durable au processus actuel de réduction carbothermique dans les fours à arc submergé (SAF), permettant la production de silicium dans une Europe de plus en plus pauvre en carbone. Pour la production de silicium, la solution à court terme consistant à utiliser des sources de biocarbone comme réducteurs de quartz est un défi en raison de la concurrence intense et des prix élevés de cette ressource pour une utilisation dans les produits chimiques, les carburants, etc. Par conséquent, et compte tenu de l'attention croissante accordée à l'économie circulaire, l'utilisation de sources secondaires d'aluminium comme réducteurs est plus pertinente que jamais.
Les problèmes sous-jacents d’approvisionnement en silicium de l’UE en provenance de Chine se sont également aggravés, laissant les industries européennes vulnérables à court et à long terme. La situation énergétique en Chine a entraîné une baisse de la production de silicium et une hausse des prix de plus de 300 % en moins de deux mois à l'automne 2021. L'objectif global du projet pilote SisAl est de développer et de démontrer une nouvelle technologie européenne de carbone propre pour la production de silicium et d'alliages de silicium, ainsi que d'alumine de qualité métallurgique (MGA) et d'alumine de haute pureté (HPA), au TRL 6-7, en validant la qualité des matières premières et des produits, l'impact environnemental et les paramètres économiques pour jeter les bases de la commercialisation.
SisAl Pilot vise à démontrer un nouveau procédé industriel breveté de production de silicium (Si, une matière première critique), permettant de passer du procédé actuel de four à arc submergé carbothermique (SAF) à une alternative beaucoup plus viable sur le plan environnemental et économique : une réduction aluminothermique du quartz en laitier en utilisant des matières premières secondaires telles que les déchets et les scories d'aluminium (Al), comme substituts aux réducteurs de carbone actuellement utilisés. SisAl Pilot représente une approche innovante et une forte contribution à la « circularité » à travers une symbiose industrielle dans laquelle l'industrie de l'aluminium agira à la fois comme fournisseur de matières premières et comme utilisateur final de l'industrie du silicium.
Dans tous les secteurs, SisAl Pilot permettra de réduire considérablement les pertes de rendement des matériaux, d’accroître la valorisation des flux de déchets et de sous-produits, avec une consommation d’énergie trois fois inférieure et des émissions de CO2 et de polluants nocifs radicalement inférieures, à un coût nettement inférieur. Le projet pilote SisAl rassemble des fournisseurs de matières premières (Erimsa), des acteurs clés du silicium et de l'aluminium (Wacker, Elkem, DOW, Silicor, SiQAl, Hydro, FRey, Befesa, MYTIL), des PME/consultants/fabricants d'équipements (BNW, SIMTEC, WS et SBC) et des organismes de recherche (NTNU, RWTH, NTUA, ITMATI, SINTEF, HZDR, MINTEK) pour démontrer le procédé SisAl avec différentes matières premières et différents produits dans 4 pays différents. Ces projets pilotes seront accompagnés d’analyses comparatives environnementales, économiques et technologiques, et des études de cas industrielles seront évaluées dans des sites en Norvège, en Islande, en Allemagne, en Espagne et en Grèce.
L'horaire de SisAl Pilot est impeccable ; la transformation vers une économie circulaire, l’accent mis sur le climat et les futures allocations de CO2 prévues dans le cadre du SCEQE avec le risque associé de fuite de carbone en provenance d’Europe, la difficulté croissante d’exporter de la ferraille d’aluminium d’Europe vers la Chine et le besoin toujours croissant de silicium métallique dans la société moderne. Avec SisAl, tous ces défis deviennent de nouvelles opportunités européennes.
Au cours de la première étape du projet, une attention particulière a été accordée à la conception opérationnelle, notamment à la méthode d’agitation, à la méthode de chargement et au mélange des matières premières. Il a été démontré pour la première fois, à l'échelle de 300 kg, que le laitier d'aluminium (un mélange de métal et d'oxyde) est un réducteur approprié pour les laitiers contenant du SiO2. Le laitier est un sous-produit de l’industrie de l’aluminium qui contient une quantité considérable d’aluminium précieux (généralement 70 à 80 %).
Actuellement, des procédés industriels supplémentaires sont utilisés, à des coûts considérables et avec un impact environnemental négatif, pour récupérer des parties de cet aluminium. Il a également été démontré à l'échelle pilote que les godets peuvent être utilisés pour affiner l'alliage de Si produit par le procédé SisAl en silicium MG (pureté supérieure à 99 %). Les études de faisabilité européennes à court terme ont été mises à jour avec des informations plus détaillées sur les rendements des procédés et les prix des matériaux, ce qui donne des estimations de performances économiques globalement positives. Ces études actualisées ont jeté les bases de discussions initiales avec des partenaires potentiels qui pourraient commercialiser le processus pilote SisAl.
- NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET NTNU (NTNU)
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