Faible émission et haute efficacité énergétique – Recyclage du carbure de silicium avec RECOSiC©

RECOSiC utilise des sous-produits du procédé Acheson et les transforme dans un four haute technologie fermé en carbure de silicium de haute pureté. Le produit final est du SiC sous forme de poudre. © Fraunhofer IKTS / RECOSiC © utilise des déchets et sous-produits du procédé Acheson et les transforme en carbure de silicium de haute pureté dans un four high-tech fermé. Le produit du procédé est du SiC sous forme de poudre. © Fraunhofer IKTS

Le graphique montre les avantages de RECOSiC par rapport à la méthode Acheson : les émissions de gaz à effet de serre et la consommation d'électricité diminuent considérablement, tout en permettant une extraction de SiC de très haute qualité. © Fraunhofer IKTS

Le graphique illustre les avantages de RECOSiC© par rapport au procédé Acheson : les émissions de dioxyde de carbone et la consommation d'énergie sont considérablement réduites, tandis que le rendement en SiC de haute qualité est beaucoup plus élevé. © Fraunhofer IKTS

Les chercheurs travaillent également à utiliser à l'avenir des composants en céramique défectueux ou usés comme matière première pour produire du SiC de haute qualité. © Fraunhofer IKTS / The researchers are also working on using defective or used ceramics-based components as feed stock for producing high-quality SiC in future. © Fraunhofer IKTS

Le matériau industriel le carbure de silicium est très recherché pour de nombreuses applications. Ce matériau extrêmement dur et résistant à la chaleur est par exemple utilisé pour des composants réfractaires ou pour des semi-conducteurs. Cependant, sa fabrication est énergivore et émet beaucoup de dioxyde de carbone. De plus, de grandes quantités de sous-produits et de déchets sont générés. Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour les Technologies et Systèmes Céramiques IKTS ont développé avec RECOSiC© une méthode de recyclage particulièrement écologique, qui transforme ces sous-produits et déchets en carbure de silicium de haute qualité. La nouvelle méthode améliore le rendement et réduit également la dépendance vis-à-vis des fournisseurs de matières premières.

Le matériau industriel le carbure de silicium (formule chimique : SiC) est très prisé dans l’industrie en raison de sa dureté énorme – presque aussi dure que le diamant – et de sa résistance à la chaleur. Le SiC est utilisé dans des applications en industrie chimique, comme céramique technique, pour des composants réfractaires, mais aussi dans les semi-conducteurs. Lors de la fabrication selon la méthode dite d’Acheson, du sable de quartz et du coke de pétrole sont chauffés dans un four en forme de cylindre à environ 2500 °C. La réduction carbothermique qui s’ensuit produit le carbure de silicium comme produit final. La méthode n’est pas compliquée, mais elle génère beaucoup de CO2 : à elle seule, la réduction carbothermique libère environ 2,4 tonnes de ce gaz à effet de serre par tonne de SiC. S’ajoute une consommation électrique énorme de 7,15 MWh/t pour le fonctionnement de plusieurs jours du four. Cela entraîne la production supplémentaire de 1,8 tonne de CO2 par tonne de SiC.

« La méthode d’Acheson a près de 130 ans et appartient aux procédés industriels classiques polluants, qui ne correspondent plus vraiment à notre époque », explique Jörg Adler, chef du département Céramiques non oxydées à l’Institut Fraunhofer pour les Technologies et Systèmes Céramiques IKTS à Dresde. Son équipe a maintenant développé, en collaboration avec le partenaire industriel ESK-SiC GmbH, une méthode de recyclage pour les déchets et sous-produits générés lors du processus. RECOSiC© réduit l’impact environnemental et transforme ces matériaux recyclés en carbure de silicium de haute qualité. La société ESK-SiC GmbH, basée à Frechen près de Cologne, possède une longue expérience dans le traitement et la valorisation des matières premières.

Four de haute technologie transforme déchets et sous-produits en SiC

Dans les zones périphériques des énormes fours d’Acheson en plein air, une partie importante des matières premières, sable de quartz et charbon, ne peut pas réagir complètement pour former du carbure de silicium, car la température n’est pas suffisamment élevée. En raison de la taille des fours et de la chaleur extrême, leur installation en intérieur est difficile. Des impuretés provenant de l’air s’ajoutent également au processus. Le SiC incomplet ainsi que les sous-produits et déchets ne sont jusqu’à présent utilisables que pour des applications de moindre qualité ou doivent être éliminés. C’est là qu’intervient la solution brevetée RECOSiC©. « Nous chauffons ces sous-produits sous atmosphère de gaz protecteur dans un four de haute technologie à des températures allant jusqu’à 2400 °C. Cela permet de produire à nouveau du SiC de haute qualité. La consommation d’énergie dans RECOSiC© est inférieure de 80 % à celle du procédé d’Acheson, ce qui réduit également considérablement les émissions de CO2 », explique Adler.

Contrairement au procédé d’Acheson, le four de haute technologie génère très peu de déchets ou de sous-produits. Les impuretés sont déposées ou évaporées lors de la réaction chimique. Des métaux comme le fer forment, sous l’effet de la chaleur intense, des agrégats qui peuvent être mécaniquement enlevés. Le rendement est ainsi proche de 100 %.

Un autre avantage majeur : avec RECOSiC©, on obtient du SiC de haute qualité avec un degré de pureté de 99 % voire plus. Matthias Hausmann, directeur général de ESK-SiC GmbH, explique cela avec une comparaison imagée : « C’est comme si l’on disposait d’un procédé permettant de recycler du vieux papier pour produire du nouveau papier, aussi bon voire meilleur que l’original. »

Spécifications et pureté du SiC contrôlables

Pour atteindre cette haute qualité, les chercheurs de l’IKTS ne se contentent pas d’introduire le matériau dans le four. La matière première est d’abord analysée, prétraitée et complétée de manière stœchiométrique. Cela signifie que les composants de départ sont mélangés dans le rapport précis nécessaire pour que la réaction chimique produise la composition souhaitée avec les propriétés requises. Si besoin, les experts ajoutent également certains additifs. Enfin, les paramètres du procédé dans le four sont réglés. Cela inclut la température maximale, la durée et la régulation de la montée en température tout au long du processus. Ainsi, ils peuvent contrôler le processus et déterminer à l’avance les caractéristiques du produit final SiC, comme la taille des grains ou le degré de pureté. L’expérience et l’expertise de l’équipe de l’IKTS dans la manipulation des matériaux céramiques jouent également un rôle essentiel.

« En collaboration avec notre partenaire industriel ESK-SiC, nous sommes en mesure, en tant que prestataires de services technologiques, de fournir le matériau SiC selon les spécifications souhaitées pour l’application du client », se réjouit Adler. « Par ailleurs, nous pouvons développer avec nos partenaires de l’industrie céramique des matières premières et des procédés sur mesure, permettant d’obtenir de nouvelles propriétés produits, voire une circularité totale. »

La méthode innovante ne traite pas seulement les sous-produits issus du procédé d’Acheson. Elle permet également de recycler des composants céramiques défectueux ou usés, comme des filtres à particules diesel ou des tuiles réfractaires provenant d’incinérateurs. En principe, tout matériau contenant au moins 50 % de SiC peut être transformé en carbure de silicium de haute qualité.

Réduire la dépendance vis-à-vis des fournisseurs de matières premières

Matthias Hausmann déclare : « Avec RECOSiC©, nous rendons un processus industriel jusqu’ici très polluant et nuisible au climat beaucoup plus propre, tout en économisant des ressources précieuses. C’est une étape importante vers une économie circulaire durable. »

Une meilleure utilisation des matières premières primaires réduit également la dépendance vis-à-vis des fournisseurs étrangers et les chaînes d’approvisionnement de plus en plus fragiles. L’IKTS a développé et testé RECOSiC© à l’aide d’une installation à l’échelle de laboratoire. La société ESK-SiC GmbH exploite déjà depuis le deuxième trimestre 2023 une installation à l’échelle industrielle. Une extension des capacités est prévue. Dans ce contexte, des emplois high-tech attrayants pour des technologies durables seront créés en Allemagne, dans un secteur très énergivore.