La production de l'aluminium par électrolyse est le procédé qui permet de fabriquer le métal aluminium à partir de l'alumine extraite de la bauxite. Le procédé a été inventé simultanément par Paul Héroult en France et Charles Martin Hall aux États-Unis en 1886, et il est couramment appelé « procédé Hall-Héroult ». Il permet la production de l'aluminium dit « primaire », l'aluminium « secondaire » étant issu du recyclage. Les deux scientifiques sont souvent désignés comme les « jumeaux de l'aluminium ». Pour produire une tonne d’aluminium, la réaction requiert 0,415 tonne de carbone, 1,920 tonne d’alumine tandis que 1,520 tonne de dioxyde de carbone est produite par la seule combustion des anodes. Le chauffage de la cellule, appelée aussi cuve d'électrolyse, est entièrement généré par effet Joule. La cuve d'électrolyse se compose des éléments suivants : -un caisson en acier ; -un garnissage isolant thermique constitué de briques réfractaires ; -un creuset polarisé cathodiquement constitué d'un assemblage de blocs de carbone cuits à base d'anthracite et liés par une pâte carbonée appelée pâte de brasque ; -des barres d'acier traversant le caisson et permettant la sortie (pôle négatif) du courant à la cathode ; -des ensembles anodiques constitués de tiges verticales en aluminium, fixées sur des pattes en acier qui sont scellées à la fonte sur les blocs de carbone ; -une superstructure en acier, placée au-dessus du caisson et qui soutient les ensembles anodiques au-dessus du bain électrolytique ; -un ensemble de conducteurs en aluminium qui transportent le courant de la cathode de la cuve précédente de la série de cuves vers l'anode de la cuve suivante ; -un système d'aspiration des gaz vers la station de traitement ; -un système d'alimentation en alumine. La distance entre l’anode et le métal est ajustée par des moteurs qui descendent progressivement les anodes en fonction de leur consommation par la réaction électrochimique. Par ailleurs, deux opérations principales sont effectuées régulièrement : le soutirage de l’aluminium, qui s’effectue par aspiration dans une poche de coulée grâce à un tuyau en fonte plongé dans la couche de métal liquide ; le remplacement des anodes consommées, chaque anode est conservé durant environ 25 jours. De manière à assurer la qualité de la production, de nombreux contrôles sont effectués : mesure de la hauteur de métal et de bain, prélèvement et analyse du métal, suivi de la température et des paramètres électriques. Une régulation automatisée des paramètres de marche a permis d’améliorer grandement le rendement du procédé et de réduire les émissions de gaz a effet de serre. Les cuves modernes sont constituées d’une vingtaine d’anodes soumises à une densité de courant de 0,8 A/cm2. Pour des raisons économiques liées à la préparation du courant continu de forte intensité à partir du courant disponible en mode alternatif sous forte tension, le même circuit électrique alimente plusieurs cuves placées électriquement en série. L'ensemble est de ce fait appelé par la profession « série d'électrolyse ». La série de cuves est généralement disposée en deux rangées parallèles (de parfois 2 × 200 cuves), dans deux halls de 1 km de long, séparés et éloignés de 50 à 100 m. La sous-station électrique qui transforme le courant alternatif (plus de 200 kV) en courant continu (par exemple 1 800 V - 360 000 A), est constituée de plusieurs unités placées en parallèle, chacune capable de livrer un courant d'environ 100 000 A. Le principe est basé sur l'emploi de diodes, plus rarement de thyristors. Le courant produit doit être stable ; pour ce faire il est mesuré précisément (sondes à effet Hall) et régulé. Enfin, au vu des puissances en jeu et des risques d'ouverture de circuit sur une cellule d'électrolyse (anodes qui ne sont plus immergées dans le bain électrolytique pour des raisons accidentelles), la sous-station est munie de moyens de surveillance et de déclenchement rapides. Une cuve de 360 000 A produit environ 1 000 t d'aluminium par an. Une série de 360 cuves à 360 000 A (technologie de 2008) produit 360 000 t d'aluminium par an. La construction d'une usine de cette taille représente en 2012 un investissement d'environ 1,5 à 2 milliards de dollars selon la zone du projet. _____________________________________________________________________________________________ Aluminum production by electrolysis is the process that produces aluminum metal from alumina extracted from bauxite. The process was invented simultaneously by Paul Héroult in France and Charles Martin Hall in the United States in 1886, and is commonly referred to as the "Hall-Héroult process." It allows the production of so-called "primary" aluminum, while "secondary" aluminum is derived from recycling. The two scientists are often referred to as the "aluminum twins." To produce one ton of aluminum, the reaction requires 0.415 tons of carbon, 1.920 tons of alumina, while 1.520 tons of carbon dioxide are produced by the combustion of the anodes alone. The heating of the cell, also called the electrolytic cell, is entirely generated by the Joule effect. The electrolytic cell consists of the following components: - a steel casing; - a thermally insulating lining made of refractory bricks; - a cathodically polarized crucible consisting of an assembly of baked anthracite-based carbon blocks bonded by a carbonaceous paste called pot lining; - steel bars passing through the chamber and allowing the current to exit (negative pole) to the cathode; - anode assemblies consisting of vertical aluminum rods attached to steel legs that are cast-iron sealed to the carbon blocks; - a steel superstructure placed above the chamber and supporting the anode assemblies above the electrolytic bath; - a set of aluminum conductors that carry the current from the cathode of the previous cell in the series of cells to the anode of the next cell; - a gas extraction system for the treatment plant; - an alumina supply system. The distance between the anode and the metal is adjusted by motors that gradually lower the anodes according to their consumption through the electrochemical reaction. In addition, two main operations are performed regularly: aluminum extraction, which is carried out by suction into a ladle through a cast iron pipe immersed in the layer of liquid metal; and replacement of consumed anodes; each anode is stored for approximately 25 days. To ensure production quality, numerous controls are performed: measuring the height of the metal and bath, sampling and analyzing the metal, and monitoring the temperature and electrical parameters. Automated control of operating parameters has greatly improved process efficiency and reduced greenhouse gas emissions. Modern cells consist of approximately twenty anodes subjected to a current density of 0.8 A/cm². For economic reasons related to the preparation of high-intensity direct current from the current available in high-voltage alternating current, the same electrical circuit supplies several cells electrically placed in series. The assembly is therefore referred to in the industry as an "electrolysis series." The series of cells is generally arranged in two parallel rows (sometimes 2 x 200 cells), in two 1 km long halls, separated and separated by 50 to 100 m. The electrical substation that transforms alternating current (over 200 kV) into direct current (for example, 1,800 V - 360,000 A) consists of several units placed in parallel, each capable of delivering a current of approximately 100,000 A. The principle is based on the use of diodes, and more rarely thyristors. The current produced must be stable; to ensure this, it is precisely measured (using Hall effect sensors) and regulated. Finally, given the power involved and the risk of an electrolysis cell opening a circuit (anodes that are no longer immersed in the electrolytic bath due to accidental causes), the substation is equipped with rapid monitoring and tripping systems. A 360,000 A cell produces approximately 1,000 tons of aluminum per year. A series of 360 360,000 A cells (2008 technology) produces 360,000 tons of aluminum per year. The construction of a plant of this size represented an investment of approximately $1.5 to $2 billion in 2012, depending on the project area.