La soutenance de thèse de Abdallah SKAF se déroulera le mardi 25 novembre à 9h30, en salle 401 – TBI.
Cette thèse s’intitule :
« Étude prospective de la métallurgie solaire à base de réducteurs décarbonés et de ses performances environnementales ».
Direction :
Ligia BARNA
Aras AHMADI
Jury :
Fabrice PATISSON
Sylvain RODAT
Stéphane NEGNY
Isnaldi Rodrigues DE SOUZA FILHO
Résumé :
Pour soutenir la transition vers une production d’acier à faible teneur en carbone, la réduction directe à l’hydrogène (H₂-DRI) est apparue comme une alternative prometteuse aux technologies conventionnelles de fabrication du fer à base de combustibles fossiles. Cette thèse présente un cadre de modélisation et d’évaluation permettant d’évaluer la faisabilité technique ainsi que la performance énergétique et environnementale de l’utilisation d’hydrogène pur pour la réduction du minerai de fer dans des réacteurs à cuve. La recherche combine une modélisation multiphysique détaillée à l’échelle du réacteur avec une simulation du schéma de procédé et une analyse du cycle de vie (ACV), offrant une vue d’ensemble de la voie H₂-DRI avec différentes stratégies de chauffage à faible émission de carbone. Un modèle transitoire 1D spatial est développé pour simuler la réduction de boulettes de minerai de fer multicouches dans un réacteur à lit mobile à contre-courant fonctionnant à l’hydrogène pur. Le sous-modèle des boulettes tient compte de la diffusion gaz-solide, du transfert et de la cinétique des réactions chimiques simultanément dans les différentes couches solides des boulettes. De plus, afin de refléter le comportement complexe de la réduction de l’oxyde de fer à différentes températures, trois régimes cinétiques distincts sont introduits : la cinétique à haute température (T > 570 °C), régime intermédiaire (450 °C < T < 570 °C) et cinétique à basse température (T < 450 °C), permettant une étude plus large du ralentissement de la vitesse de réaction observé à des températures plus basses en raison des changements de stœchiométrie et de l’inhibition de la vapeur d’eau. Le modèle de réacteur inclut le transport convectif-diffusif transitoire et les bilans énergétiques dans des conditions adiabatiques. Les études paramétriques démontrent la sensibilité du procédé aux variables opératoires clés, telles que la température du gaz, la taille des boulettes, la porosité et le débit du gaz. Les résultats montrent qu’une réduction complète peut être obtenue à des températures élevées (par exemple 900 °C) dans des configurations de réacteurs plus compacts, tandis que des limitations cinétiques importantes se produisent en dessous de 600 °C, même avec de petites boulettes. Afin d’étendre l’analyse au niveau du processus, un procédé complet de DRI à base d’hydrogène est simulé, incluant le chauffage des gaz et des solides, le recyclage de l’hydrogène et la production d’hydrogène par électrolyse. Deux stratégies de chauffage à faible émission de carbone sont envisagées : (i) le préchauffage électrique du gaz et (ii) le chauffage solaire direct du réacteur. Ces configurations sont comparées au procédé de référence MIDREX, qui utilise le gaz naturel comme réducteur. Une analyse du cycle de vie intégrée est réalisée afin de quantifier la performance environnementale de chaque scénario. Les résultats montrent que les scénarios H₂-DRI alimentés par le mix électrique français actuel peuvent réduire l’empreinte carbone de 53 % (chauffage électrique) et 57 % (chauffage solaire), avec des réductions supplémentaires pouvant atteindre 82 % (-0,79 kgCO2-eq/kgDRI) dans des conditions d’électricité à faible teneur en carbone. Toutefois, les performances énergétiques et environnementales du procédé restent fortement dépendantes de la production d’hydrogène, qui domine la consommation électrique globale.