Développement d'un nouveau modèle mathématique pour analyser l'effet des paramètres de conception et de fonctionnement sur la consommation d'énergie de cellules d'électrolyse en sels fondus

Abstract

Cette thèse présente une étude sur le transfert de masse et la consommation d'énergie dans une cellule d'électrolyse au lithium, dernière étape du processus de production du lithium. En raison de l'environnement sévère (température élevée et existence de matériaux corrosifs), l'obtention de données expérimentales dans une telle cellule est très difficile. Cependant, l'analyse numérique peut aider à surmonter le manque de connaissances. La complexité des équations pour résoudre différents champs couplés (concentration, potentiel et vitesse) et les réactions sont un obstacle au développement d'un modèle fiable. D'après les connaissances de l'auteure, à l'exception des publications présentées dans cette thèse, aucune étude n'a été publiée auparavant sur l'analyse numérique des phénomènes susmentionnés dans la cellule au lithium, ce qui met en évidence l'originalité de la présente thèse. Le transfert de masse, la distribution de vitesse et de tension ont été simulés à l'intérieur de deux types de cellules au lithium: une cellule avec un diaphragme et une cellule sans diaphragme. Les simulations sont réalisées à l'aide d'un logiciel commercial, COMSOL®, et d'un code développé avec une boîte à outils à accès libre, OpenFOAM. Les cas de référence ont été simulés en fonction de la géométrie et des conditions d’opération d'un banc expérimental conçu et exploité chez Hydro-Québec. La comparaison des résultats expérimentaux et de simulation pour le champ électrique confirme la validité du modèle. En outre, les résultats expérimentaux et de simulation du champ d'écoulement dans une cellule de magnésium similaire à celle d'une cellule au lithium, résultats disponibles dans la littérature publique, ont été utilisés pour la validation des modèles d'écoulement à une et à deux phases. Pour chaque type de cellules au lithium, les résultats pour les champs de vitesse, de potentiel et de concentration sont présentés dans des sections séparées. Les résultats montrent que la consommation d'énergie des cellules peut être minimisée en modifiant les paramètres de fonctionnement et de conception tels que la distance entre l’anode et la cathode (ACD), la densité de courant et les caractéristiques de la membrane. Une augmentation de la densité de courant et et de l’ACD conduit à une augmentation de la tension de la cellule, c'est-à-dire de la consommation d'énergie. De plus, l'utilisation d'un petit diaphragme poreux situé loin de l'anode diminue la consommation d'énergie des cellules jusqu'à 40%. De plus, dans la configuration expérimentale, la longueur de l'anode est presque la moitié de celle de la cathode. Les résultats de la simulation pour la cellule sans diaphragme suggèrent que la consommation d'énergie de la cellule est inférieure lorsque la longueur de l'anode est plus grande, sa zone active et sa durée de vie étant plus grande dans ce cas. Pour chaque type de cellules, le meilleur cas simulé pour diminuer la consommation d'énergie et la chute de tension a été introduit. Les résultats du présent travail de recherche étendent les connaissances sur le transfert de masse à l'intérieur de la cellule d'électrolyse au lithium. De plus, le solveur OpenFOAM développé peut être implémenté pour la simulation de différentes cellules d'électrolyse. Abstract : This thesis presents an investigation on the mass transfer and energy consumption inside a lithium electrolysis cell, the last step of lithium production process. Due to the harsh environment (high temperature and existence of corrosive materials), obtaining experimental data in such a cell is very difficult. However, the numerical analysis can help overcome the lack of knowledge. The complexity of coupled equations to solve different fields (concentration, electric and momentum fields) and electrochemical reactions are an obstacle for the development of a trustworthy model. According to the author’s knowledge, except the publications presented in this thesis, no other study has already been published on the numerical analysis of aforementioned phenomena in a lithium cell. All of which represent the originality of the present thesis. Mass transfer, velocity and voltage distribution have been simulated inside two types of lithium cell: cell with a diaphragm and diaphragmless cell. Simulations are performed using a commercial software, COMSOL®, and through a code developed with an open access toolbox, OpenFOAM. The benchmark cases have been simulated based on the geometry and conditions of an experimental bench designed and operated at Hydro-Québec. Comparing the experimental and simulation results for the electric field confirm the validity of the model. Moreover, the published experimental and simulation results of the flow field in a magnesium cell, which has similar conditions as lithium cell, have been used for the validation of the one and two-phase flow models. For each type of lithium cells, the results for the velocity, electric and concentration fields are introduced in separated sections. The results show that the cell energy consumption can be minimized by changing the operating and design parameters such as anode-cathode distance (ACD), current density and diaphragm characteristics. Increasing the current density and ACD lead to an increase of the cell voltage. i.e., energy consumption. Moreover, using a small, porous diaphragm located far from anode decreases the cell energy consumption up to 40%. Furthermore, in the experimental setup, the anode length is almost half of cathode length. The simulation results for the diaphragmless cell with a longer anode suggest that the cell’s energy consumption is lower, the active area is larger and electrodes lifetime is higher. For each type of cells, the best-simulated case to decrease the energy consumption and voltage drop has been introduced. The results of the present research work extend the knowledge about the mass transfer inside the lithium electrolysis cell. Moreover, the developed OpenFOAM solver can be implemented for the simulation of different electrolysis cells.