Abstract :
[fr] Dans le contexte de la lutte contre le changement climatique, l’électrification des procédés industriels est une
des voies de réduction de la consommation d’énergie fossile et de limitation des émissions de gaz à effet de
serre (GES). Plus particulièrement, le secteur de production du ciment et de la chaux est responsable d’environ
8%, selon Andrew R. M. en 2018, des émissions totales de GES, et est consommateur d’importantes quantités
de combustible afin de chauffer et décarbonater le calcaire (CaCO3). Dans le procédé de production de chaux,
le CO2 est produit par la combustion et par la réaction chimique menant à la chaux vive (CaO) (1.2 tCO2/tCaCO3,
selon Andrew, R. M. en 2018). 10% de cette chaux est commercialisée sous forme de chaux éteinte (Ca(OH)2)
après hydratation.
Comme illustré très schématiquement à la Fig. 1, la solution envisagée par Ellis L. en 2019 est d’utiliser
l’électrolyse de l’eau et la solubilisation du calcaire en milieu acide pour produire la chaux éteinte ainsi que
les coproduits gazeux valorisables que sont l’hydrogène (libéré à la cathode), l’oxygène et le dioxyde de
carbone (libérés à l’anode) tout en permettant une capture aisée de ce dernier par séparation du mélange gazeux
CO2/O2 (par exemple par adsorption). Ce procédé a été validé notamment par les travaux de Ramirez-Amaya
D. en 2023.
L’objectif de cette étude est d’établir un modèle multiphysique et multidimensionnel du réacteur
électrochimique. Ce modèle prend en compte l’impact des différents phénomènes ayant cours au sein de la
cellule électrochimique primaire et, notamment, l’interaction entre ces phénomènes ; par exemple l’impact des
phénomènes réactionnels sur la tension électrique dans la cellule. Les phénomènes pris en compte sont de
nature chimique (dissolution du carbonate, précipitation de l’hydroxyde, équilibre calco-carbonique, équilibres
de phases) et électrochimique (tension thermodynamique, activation des électrodes, résistances de solution et
membranaire), de nature électrique (déformation du champ électrique par rapport aux éléments géométriques)
et de nature hydrodynamique (convection forcée). Le modèle intègre également un ensemble de relations :
bilans de matière et d’énergie, cinétique de dissolution du carbonate de calcium comme présenté par Compton,
R. G. en 1990, et de précipitation de l’hydroxyde de calcium notamment.
La modélisation dans un environnement multidimensionnel permet de prendre en compte, de manière détaillée,
l’impact de la géométrie de la cellule primaire ou bien l’élément de base servant à la création d’un stack.
Le modèle est à la fois réalisé dans l’environnement logiciel COMSOL Multiphysics (3D) et en langage Python
(0D). L’utilisation d’un modèle 0D permet de réaliser des études préliminaires, de tester de nombreuses
hypothèses rapidement, de valider des données expérimentales avant de réaliser une étude détaillée en 3D.
À terme, ce modèle permettra d’explorer les possibilités du procédé étudié ainsi que son optimisation, aussi
bien concernant le choix des paramètres constructifs que celui des paramètres opératoires du réacteur
électrochimique.
Les résultats obtenus par les modèles (0D-3D) sont adéquation avec les résultats expérimentaux. Nous sommes
en mesure d’étudier les champs de concentrations (3D) pour les différentes espèces chimiques présentes dans
le réacteur. Ces champs de concentrations sont adéquatement impactés par la présence de la solution
électrolytique mue par un champ de vitesse et par le champ électrique déployé entre les deux électrodes.
En outre, les zones critiques lors de la dissolution du calcaire, la précipitation du calcaire ou les zones
chimiquement mortes peuvent également être identifiées afin d’adapter la géométrie des réacteurs.
