NICKEL, VOL. 37, Nº 2. 2022

NICKEL

LA REVUE SPÉCIALISÉE DU NICKEL ET DE SES APPLICATIONS

NICKEL, VOL. 37, Nº 2. 2022

Le nickel au cœur de la durabilité

L’acier patinable, soutien durable pour les panneaux solaires

Solaire thermique à concentration : l’énergie renouvelable éblouissante

Une surprise en réserve : les véhicules électriques en renfort du réseau

La tour Abdi Ibrahim a été conçue par le cabinet d’architectes milanais Dante O. Benini & Partners.

ÉTUDE DE CAS 25 LA TOUR ABDI IBRAHIM

Le siège social de l’entreprise pharmaceutique Abdi Ibrahim, situé à Istanbul, est un fleuron emblématique de la création architecturale italienne. La construction de cette tour de 25 étages s’élevant à 120 m et totalisant une superficie de 21 000 m² a fait grand usage d’éléments extérieurs et intérieurs en acier inoxydable au nickel.

Les façades de l’immeuble sont parées d’écrans de tôle microperforée en acier inoxydable de nuance 316 (UNS S31600), qui masquent les systèmes de climatisation tout en filtrant la lumière naturelle et contribuent ainsi au confort des espaces de travail. La face sud de l’édifice arbore aussi des rideaux tenus par une structure tubulaire inclinée, le tout en acier 316 également.

À l’intérieur, un superbe escalier suspendu, ouvert sur trois niveaux dans le hall d’entrée principal, donne l’impression de flotter dans le vide. Il

est retenu en deux endroits seulement par des supports profilés épousant ses limons tubulaires par le bas. Ces limons, ainsi que la main courante en tubes soudés et les barres transversales de la rampe (de diamètres respectifs 210 mm, 40 mm et 12 mm) sont en acier 316 à fini satiné. D’autres équipements en acier inoxydable tels que clôtures, portails, enseignes et éléments de décoration intérieure parachèvent l’ouvrage.

Source : Centro Inox. Inossidabile, no 225, décembre 2021. http://www. centroinox.it/it/inossidabile-225

TONI NICOLINI

ÉDITORIAL LE NICKEL AU CŒUR DE LA DURABILITÉ

Le nickel a un rôle essentiel à jouer pour libérer tout le potentiel des énergies renouvelables à faible émission de carbone, dont on a désespérément besoin pour lutter contre les changements climatiques. La feuille de route établie par l’Agence internationale de l’énergie (AIE) pour atteindre la neutralité carbone d’ici 2050 fait le point sur l’apport des différentes technologies des énergies renouvelables dans la capacité de production d’électricité. Or les propriétés que le nickel confère aux batteries et à sa vaste gamme d’alliages (dont les aciers inoxydables et les aciers faiblement alliés) font florès dans presque toutes ces technologies.

2019 2020 2030 2040 2050 2020 2030 2050 2020 à 2030 2020 à 2050

Capacité totale 7 484 7 795 14 933 26 384 33 415 100 100 100 6,7 5,0

Renouvelables 2 707 2 994 10 293 20 732

Solaire PV 603 737 4 956 10 980 14 458

Éolienne 623 737 3 101 6 525 8 265

Hydrofluviale 1 306 1 327 1 804 2 282 2 599 17 12 8 3,1 2,3 Bioénergétique 153 171 297 534 640 2 2 2 5,7 4,5 dont BECSC 28 125 152 0 0 n. d. n. d. Solaire TC 6 6 73 281 426 0 0 1 28 15 Géothermique 15 15 52 98 126 0 0 0 13 7,4 Hydromarine 1 1 11 32 55 0 0 0 34 16

Le présent numéro se penche en particulier sur la place du nickel dans la filière solaire, tant photovoltaïque que thermique à concentration. Selon la feuille de route de l’AIE, ces technologies sont en voie de constituer une capacité de production d’énergie renouvelable considérable d’ici 2050.

La convergence entre énergies renouvelables et véhicules électriques est éloquente. Selon l’Agence de protection de l’environnement des États-Unis, les transports représentaient la plus grande part des émissions de gaz à effet de serre (GES) de ce pays en 2020. La nécessité de rendre les véhicules électriques plus convaincants entraîne une multiplication des efforts visant à créer des batteries conjuguant forte densité d’énergie et longue durée de vie. Dans ce domaine, la batterie de 4 millions de miles réalisée au Canada ouvre des perspectives prometteuses.

Le Nickel Institute a notamment pour vocation de veiller à ce que les matériaux contenant du nickel s’utilisent à bon escient. Si vous vous interrogez sur les différences entre les diverses nuances d’acier inoxydable, l’article de la page 12 fait le point sur les propriétés à prendre en compte quand on cherche des matériaux de remplacement potentiellement moins chers. Bien connaître les qualités des différentes familles d’acier inoxydable aide à éviter de coûteuses erreurs et garantit la durabilité des matériaux prescrits. En cas de doute, le service d’information technique du Nickel Institute se tient à votre disposition et se fera un plaisir de vous aider.

Clare Richardson

Rédactrice en chef

SCHÉMA SIMPLIFIÉ DE LA RECHARGE BIDIRECTIONNELLE VÉHICULE-RÉSEAU

Flux d’énergie bidirectionnel entre les véhicules électriques et le réseau

| Batterie de véhicule électrique

| Câble de recharge

| Compteur / Réseau électrique

La batterie de 4 millions de miles ouvre la perspective d’utiliser les véhicules électriques en stationnement pour renforcer le stockage de réserve du réseau. Voir « Batteries de 4 millions de miles : une autre surprise en réserve » à la page 11.

BIBAK, B., ET

Capacité de production électrique (GW) Parts

La revue Nickel est publiée par le Nickel Institute. www.nickelinstitute.org

Président : Hudson Bates Rédactrice en chef : Clare Richardson communications@nickelinstitute.org

Collaborateurs : Parvin Adeli, Parul Chhabra, Gary Coates, Richard Matheson, Geir Moe, Kim Oakes, Philip Song, Benoît Van Hecke, Odette Ziezold

Constructive Communications

Les articles sont destinés à l’information générale du lecteur et celui-ci ne doit pas s’y er pour des applications particulières sans avoir obtenu au préalable les conseils de spécialistes compétents. Bien que les informations données soient considérées comme techniquement exactes, le Nickel Institute, ses membres, son personnel et ses consultants ne garantissent pas leur adéquation à quelque usage particulier ou général que ce soit et déclinent toute responsabilité à leur égard.

Imprimé au Canada, sur papier recyclé, par Hayes Print Group

de banques d’images : iStock©xijian

NICKEL

Des feuilles en manque d’eau ?

savoir à temps que les cultures manquent d’eau ? Au Brésil, des chercheurs ont créé des capteurs foliaires

de nickel déposé selon

étroite ligne ondulée et capables de détecter à temps le dessèchement des feuilles. Dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces, ils expliquent avoir apposé ces électrodes métalliques à une plante vivante cultivée en serre. Les données recueillies par les capteurs étaient transmises par connexion sans fil à un téléphone intelligent puis à un serveur informatique où un logiciel d’apprentissage automatique simple et rapide en déduisait la perte de teneur en eau en pourcentage. Ayant fait ses preuves en serre, ce dispositif va être testé en extérieur. S’il permet de déterminer à quel moment les plantes nécessitent un arrosage, il pourrait apporter économies de ressources et gains de rendement.

Une extraction extrafine

Une nouvelle technique de biolixiviation servant à extraire des minéraux tels que nickel et cobalt des résidus miniers fait les manchettes. BacTech Environmental, une entreprise de Toronto, a établi une unité pilote dans le Grand Sudbury, au nord-est de l’Ontario, où se trouvent 75 à 100 millions de tonnes de résidus. Ces derniers, qui constituent normalement des déchets, seront placés dans de grandes cuves d’acier inoxydable où des bactéries sépareront les métaux de valeur de la roche en l’espace de six jours, « littéralement en la dévorant », selon l’expression de Ross Orr, le PDG de BacTech. La forte demande de batteries pour véhicules électriques a fait augmenter la valeur de minéraux tels que le nickel et le cobalt, ce qui a rendu ce procédé plus viable, et comme chaque cuve fonctionne de façon indépendante, il est facile de l’appliquer à grande échelle.

Une pile à combustible inédite

Le nickel revêtu de carbone s’avère le moyen de créer une pile à combustible sans aucun métal précieux. Une équipe regroupant des chercheurs de l’Université du Wisconsin à Madison, de l’Université Cornell et de l’Université de Wuhan a conçu un électrocatalyseur à base de nickel revêtu d’une couche de 2 nanomètres de carbone dopé à l’azote. Ce dispositif inédit appariant une anode en Ni@CNx et une cathode de structure spinelle Co-Mn a fourni une densité de puissance maximum dépassant les 200 mW/cm², ce qui constitue un record. Le Ni@CNx a affiché une durabilité supérieure à celle d’un catalyseur à nanoparticules de nickel en raison d’une résistance à l’oxydation améliorée par la couche de Ni@CNx . Selon les chercheurs, « les piles à combustible n’ont pas besoin d’unité spéciale pour supprimer le monoxyde de carbone et peuvent utiliser un hydrogène moins raffiné, ce qui réduit encore les coûts ».

Miniplaquette d’identification

Un fabricant japonais de prothèses dentaires de précision, le laboratoire Wada, propose désormais de fixer sur ses prothèses une plaquette destinée à identifier leur propriétaire en cas de catastrophe. Il s’agit d’une minuscule plaque gravée en alliage nickelchrome apposée du côté intérieur de la prothèse et portant le nom de famille de son propriétaire ainsi qu’un code-barre bidimensionnel indiquant le cabinet dentaire qui l’a fournie. La miniplaquette est revêtue d’une résine pour plus de confort. Cette idée toute simple fait suite au grand séisme qu’a subi l’est du Japon en 2011. Il est possible de lire les données avec un téléphone intelligent ou un appareil similaire et d’envoyer au laboratoire Wada le numéro à 14 chiffres qui s’affiche. Si l’idée fait son chemin, ses promoteurs ont l’intention de l’ouvrir aux autres fabricants afin d’instaurer un service d’utilité publique dans tout le pays.

INSTITUT DE RECHERCHE DENTAIRE DE PRÉCISION WADA

ROSS ORR

LA PLACE AU SOLEIL DE L’ACIER PATINABLE

Les centrales solaires photovoltaïques (PV) foisonnent tout autour du globe et produisent en abondance une énergie nouvelle. Constituées de panneaux solaires, elles deviennent rapidement la technologie des énergies renouvelables la plus reconnaissable. Un panneau solaire comprend en général une couche de silicium cristallin de qualité solaire protégée par une couche de verre, le tout solidarisé par un cadre en alliage. Bien que le nickel ne joue pas de rôle direct dans la captation de l’énergie solaire par les panneaux photovoltaïques, sa présence peut être importante pour leur fonctionnement de manière indirecte, dans les structures porteuses orientant les panneaux vers le soleil afin de capter ses rayons de manière optimale.

Éléments de supports en acier patinable pour panneaux photovoltaïques

Pour les matériaux composant les supports de panneaux solaires, les qualités essentielles sont la ténacité et la résistance aux contraintes et à la corrosion. Ils doivent être assez durables pour atteindre la trentaine d‘années de vie prévue pour le panneau, et ce avec un coût d’entretien minime et sans nuire à l’environnement.

Les supports de panneaux PV sont depuis longtemps en aluminium, en acier galvanisé à chaud ou, parfois, en acier inoxydable ; mais ces derniers temps, on assiste en Chine à un usage de plus en plus fréquent de l’acier patinable, souvent appelé acier COR-TEN®.

Le pour et le contre des différents matériaux

En Chine, environ 50 % des supports de panneaux PV sont en acier zingué à chaud et 40 % sont en aluminium. Ils sont pour une plus faible part en acier inoxydable ou en plastique renforcé de fibre de verre. La résistance à la traction de l’aluminium est inférieure à celle de l’acier galvanisé à chaud et son coût est élevé, mais il offre une bonne résistance à la corrosion, quoique celle-ci nécessite aussi d’être renforcée par un traitement de surface. Il s’utilise normalement dans les panneaux PV résidentiels, prévus pour des charges au vent peu élevées et pour un entretien minime.

Les aciers galvanisés résistent mieux aux contraintes et s’utilisent surtout là où les charges au vent sont élevées. La galvanisation à chaud s’impose pour améliorer leur résistance à la corrosion, mais ils nécessitent un entretien régulier et posent des problèmes pour l’environnement.

L’acier inoxydable convient aussi pour les supports de panneaux PV et sa résistance aux contraintes et à la corrosion dépasse nettement celle des autres matériaux, mais son coût plus élevé limite son adoption.

Ces derniers temps, l’acier patinable s’utilise dans plusieurs grandes centrales photovoltaïques en Chine et promet de

s’employer en d’autres lieux. Il s’agit d’un acier à haute résistance mécanique allié de chrome, de cuivre et de nickel qui produit une couche d’oxyde superficielle résistant à l’écaillage (perte de métal par effritement de rouille). Il résiste mieux à la corrosion atmosphérique que les aciers au carbone courants et ne nécessite pas de revêtement protecteur tel que peinture ou zingage. L’acier patinable a l’avantage d’être moins cher que l’aluminium et l’acier galvanisé et de ne nécessiter presque aucun entretien par rapport à ces derniers. Une nouvelle norme chinoise portant sur les supports de panneaux photovoltaïques (NB/T 10642-2021) inclut expressément l’acier patinable parmi les matériaux recommandés pour ces derniers. Même si la teneur en nickel de ce matériau est peu élevée (0,1 % à 0,65 % environ), la quantité totale requise peut être considérable vu le nombre de panneaux solaires à installer dans les décennies à venir. Cet ajout de nickel relativement faible est essentiel au gain de résistance à la corrosion qui rend l’acier patinable intéressant pour les supports de panneaux photovoltaïques.

Les avantages de l’acier patinable sont de plus en plus reconnus tout au long de la chaîne de valeur et les aciéries, cabinets d’ingénierie et instituts d’esthétique industrielle en font de plus en plus la promotion.

Selon le volet du 14e plan quinquennal chinois portant sur les stratégies de promotion des énergies propres visant à réaliser les objectifs de neutralité carbone et de pic d’émissions de carbone, les nouveaux matériaux et les innovations techniques sont encouragés. L’emploi des aciers patinables dans les supports de panneaux photovoltaïques s’avère un moyen technique efficace. Et comme l’empreinte carbone des bâtiments et de leur construction constitue une grande priorité pour la Chine, l’acier patinable et le nickel ont un rôle à jouer.

Les supports se composent de piles d’ancrage au sol, jambes, colonnes, poutrelles, profilés, étriers et autres éléments de fi xation.

SOLAIRE THERMIQUE À CONCENTRATION UNE ÉNERGIE RENOUVELABLE ÉBLOUISSANTE

Les centrales à miroirs cylindroparaboliques réfléchissent le rayonnement solaire vers un tube absorbeur rempli de fluide caloporteur, concentrant ainsi l’énergie par un facteur d’environ 100.

La réduction des émissions de CO2 liées à la production d’énergie est essentielle pour limiter les changements climatiques, et la réalisation des objectifs repose avant tout sur les énergies renouvelables et sur l’efficacité énergétique. Parmi les technologies des énergies renouvelables, le solaire thermique à concentration est appelé à connaître une croissance considérable dans un proche avenir. Mais il faudra qu’il fournisse de l’énergie pour un coût propre à éclipser la concurrence.

Les centrales solaires thermiques à concentration utilisent des miroirs pour refléter les rayons du soleil en les concentrant vers un récepteur qui collecte l’énergie et la transmet à un fluide caloporteur. Cela sert à alimenter un réseau de chaleur ou bien des turbines à vapeur produisant de l’électricité. Conjugué au stockage thermique, le solaire à concentration peut fournir de l’énergie sans interruption quand le ciel est couvert ou avant l’aube et après le coucher du soleil.

Les centrales solaires à concentration de deuxième génération mises en place à l’heure actuelle intègrent des unités

de stockage thermique, contrairement à celles de première génération.

Le nickel dans les centrales solaires à concentration

Les centrales solaires thermiques à concentration ne peuvent maintenir des températures de service assez élevées pour produire de l’électricité que dans les régions très ensoleillées. Il en existe actuellement deux types distincts : celles à miroirs cylindro-paraboliques et celles à tour solaire. Les alliages de nickel et les aciers inoxydables au nickel jouent un rôle clé dans les deux cas, car ils supportent les hautes températures et

Réservoirs de stockage d’énergie thermique

Centrale à miroirs cylindroparaboliques utilisant une huile de synthèse

Miroirs cylindro-paraboliques

Lignes électriques

Condensateur refroidi par air

Échangeur de chaleur

Récepteur

Turboalternateur

la corrosivité des sels fondus, résistent au vent et à l’érosion dans les climats désertiques rigoureux et sont faciles à travailler.

Les centrales à miroirs cylindroparaboliques réfléchissent le rayonnement solaire vers un tube absorbeur rempli de fluide caloporteur, concentrant ainsi l’énergie par un facteur d’environ 100. L’énergie thermique ainsi collectée sert à produire de la vapeur, qui entraîne un turboalternateur pour produire de l’électricité. Le fluide caloporteur peut être une huile de synthèse ou un sel fondu. Il circule dans des échangeurs de chaleur qui transforment de l’eau en vapeur pour alimenter les turbines. Les miroirs cylindro-paraboliques produisent des températures de service atteignant 393 °C à 550 °C selon le fluide caloporteur utilisé. Les tubes absorbeurs sont en acier inoxydable au nickel résistant à la chaleur. Ils sont revêtus d’une couche absorbante sélective, puis enfermés dans un tube sous vide étanche en borosilicate. L’acier inoxydable au nickel a, entre autres avantages, celui de se prêter facilement à l’application d’un fini bien poli garantissant la stabilité du revêtement. Par ailleurs, il se comporte à merveille face aux températures de service élevées et au risque de corrosion résultant de la condensation que peuvent entraîner les variations de température des zones désertiques.

Les centrales à tour solaire utilisent des héliostats intégrant des miroirs et

un mécanisme piloté par ordinateur qui suit la course du soleil selon deux axes de manière à réfléchir son rayonnement vers un récepteur central situé au sommet d’une tour. Le récepteur chauffe un fluide caloporteur servant à produire de la vapeur pour alimenter des turboalternateurs. Les tubes récepteurs doivent répondre à une multitude de conditions telles que résistance mécanique, alternance entre service à haute température et repos à froid (la nuit) et durée de vie prévue de 25 à 35 ans. À l’heure actuelle, seuls les alliages de nickel font l’affaire. L’alliage de nickel 625 (UNS N06625), qui contient environ 61 % de ce métal, est la nuance usuelle pour ce type d’utilisation, tandis que les alliages 800HT (N08811, contenant 30 à 34 % de nickel) et 230 (N06230, contenant 47 à 65 % de nickel) sont des solutions de rechange envisagées.

Principe de fonctionnement d’une centrale à tour solaire Dans cette technologie, le fluide caloporteur peut être une huile de synthèse ou un sel fondu. Le sel retient mieux l’énergie que les substances liquides à température ambiante, et le sel fondu facilite et rend plus efficace l’intégration d’équipements de stockage permettant de produire de l’électricité 24 h sur 24. La verticalité du système à tour centrale facilite la gestion des flux de sel fondu par rapport à la quasi-horizontalité d’un système à miroirs cylindro-paraboliques. Les centrales à tour solaire actuelles intègrent deux unités de stockage des sels fondus : une

Les centrales solaires thermiques à concentration utilisent des miroirs pour refléter les rayons du soleil en les concentrant vers un récepteur qui collecte l’énergie et la transmet à un fluide caloporteur.

Les centrales à tour solaire peuvent atteindre des températures plus élevées allant de 500 °C à 1 000 °C et ainsi des rendements supérieurs à ceux des centrales à miroirs cylindro-paraboliques.

Réservoirs de stockage d’énergie thermique

Tour

Lignes électriques Condensateur refroidi par air

Héliostats

Générateur de vapeur

Récepteur

Turboalternateur

L’extension Noor 1 de la centrale solaire

Mohammed ben Rachid Al Maktoum, aux Émirats arabes unis, utilise environ 800 kg de nickel par MW dans les tubes absorbeurs de sa tranche à miroirs cylindroparaboliques et plus de 1 300 kg de nickel par MW dans le récepteur et les réservoirs de sel fondu de sa tour solaire.

« Les récents investissements dans la capacité solaire thermique à concentration sont néanmoins insuffisants pour atteindre la capacité prévue d’ici 2050. Il est donc nécessaire de fournir beaucoup plus d’efforts pour soutenir les travaux de recherche et développement, mettre en valeur les capacités de stockage et d’adaptabilité du solaire thermique à concentration, réduire ses coûts et accroître l’échelle du secteur. [Traduction de l’anglais] » Agence internationale de l’énergie. Concentrated Solar Power (CSP), rapport de suivi sur le solaire thermique à concentration (novembre 2021)

chaude (565 °C) et une « froide » (290 °C).

Pour mieux résister aux températures élevées et à la corrosion, la première est en acier inoxydable au nickel, tandis que la seconde est en acier au carbone.

Vers la troisième génération

D’ici 2030, le coût moyen actualisé de l’électricité (CMAE) des centrales solaires thermiques à concentration dans les pays du G20 devrait baisser de 35 % pour atteindre 8,6 cents US par kilowattheure (kWh) contre une valeur estimée à 13,2 cents US par kilowatt-heure en 2018.

Le passage de la première à la deuxième génération a fait baisser le CMAE de 21 à 9 cents US par kilowatt-heure tandis que l’utilisation de nickel a augmenté. C’est à partir d’un seuil de 5 cents US par kilowatt-heure que le solaire commence à concurrencer les sources d’énergie traditionnelles selon la définition du Département de l’Énergie des États-Unis.

L’analyse des dépenses d’investissement, des rendements énergétiques et des limites de l’intégration des systèmes solaires thermiques à concentration indique que les deux premières généra tions ont peu de chances d’atteindre ce seuil de CMAE de 5 cents US par kilowattheure. C’est celui-ci que les systèmes de troisième génération actuellement à l’étude cherchent à franchir. La clé réside

dans l’efficacité du cycle thermodyna mique, qui peut être maximisée en aug mentant la température de ce dernier. La recherche sur les systèmes de troisième génération pointe, entre autres options, vers l’emploi de CO2 saturé pour alimenter le cycle thermodynamique. Par consé quent, la mise au point d’un système plus rentable nécessite d’augmenter dans une mesure similaire les températures maxi mum du fluide caloporteur, du système de stockage thermique et du récepteur. Vu l’accroissement des températures et des contraintes que nécessite un tel gain d’efficacité, il est peu probable que cela se fasse sans faire appel aux propriétés inégalées des alliages de nickel. Il semble même qu’aucun gain d’efficacité n’est possible sans recourir à des matériaux plus fortement alliés. Par ailleurs, les taxes carbone vont plomber le CMAE des énergies à forte empreinte carbone dans une certaine mesure alors qu’elles épar gnent le solaire, ce qui devrait améliorer la marge de manœuvre de ce dernier. Il faudra aussi attendre environ deux ans avant de pouvoir vraiment évaluer les per formances des systèmes expérimentaux de troisième génération. Tout cela fait que le nickel devrait continuer de briller au cours des années à venir en jouant un rôle important dans la lutte contre les changements climatiques.

DUBAI ENERGY AND WATER AUTHORITY (DEWA)

BATTERIES DE 4 MILLIONS DE MILES : UNE AUTRE SURPRISE EN RÉSERVE LES VÉHICULES ÉLECTRIQUES EN RENFORT DU RÉSEAU

Les progrès considérables des batteries lithium-ion à durée de vie ultra-longue sont une grande nouvelle pour les systèmes de recharge bidirectionnelle, qui permettent aux véhicules électriques de stocker de l’énergie d’origine solaire ou éolienne dans leurs batteries, puis de la renvoyer au réseau à la demande. Une équipe de chercheurs de l’Université Dalhousie, dirigée par Jeff Dahn, spécia liste des batteries de renommée mondiale et titulaire de la Chaire de recherche industrielle CRSNG-Tesla Canada, a mis au point et à l’épreuve des batteries à durée de vie ultra-longue bonnes pour quatre millions de miles (près de six millions de kilomètres). L’expression « million de miles » fait écho à l’article en libre accès de Jeff Dahn paru en 2019 dans le Journal of the Electrochemical Society (JES), qui concluait que « les cellules de ce type devraient pouvoir alimenter un véhicule électrique sur plus de 1,6 million de kilomètres (1 million de miles) et durer au moins deux décennies dans les systèmes de stockage d’énergie du réseau ».

Tout repose sur des cellules couplant un matériau monocristallin de formule LiNi0,5Mn0,3Co 0,2O2 (NMC532) et du graphite mises au banc d’essais en octobre 2017 et continuant de fonctionner à température ambiante après environ 4 ans et demi de cyclage continu avec une dégradation d’environ 5 % seulement à 1C/1C. Jeff Dahn et son équipe ont aussi démontré l’impact de la tension de coupure de charge dans leur article paru en 2022 dans le JES, en concluant

que « les cellules NMC811-graphite bénéficient d’un énorme gain de durée de vie quand elles fonctionnent avec une tension de coupure de charge limitée à 4,06 V, auquel cas leur durée de vie peut atteindre plusieurs décennies entre 20 °C et 30 °C si les meilleurs graphites sont sélectionnés ». Ils ont souligné que les cellules au NMC532 équilibrées et char gées à 3,8 V présentaient « un meilleur rendement faradique, une moindre perte de capacité et une plus grande densité d’énergie par rapport aux cellules LFP et qu’elles devraient atteindre des durées de vie approchant le siècle à 25 °C ».

« Alors que 800 cycles (avec une profon deur de décharge de 100 %) suffisent pour une batterie de véhicule électrique, le mode véhicule-réseau revient à charger et décharger les véhicules alors qu’ils sont garés, si bien qu’il faut disposer de plus de 10 000 cycles », explique Jeff Dahn.

De manière plus globale, il va de soi que l’objectif à long terme n’est pas de faire parcourir des millions de kilomètres aux véhicules électriques, mais de tirer parti du fait qu’ils restent en stationnement la plupart du temps pour stocker l’énergie des centrales solaires et éoliennes dans leurs batteries.

La recharge bidirectionnelle véhiculeréseau consiste à stocker l’électricité excédentaire du réseau dans les batteries des véhicules électriques en stationnement et à puiser dans cette réserve selon les besoins. Les énergies renouvelables rendent la gestion du réseau plus complexe, car leur disponibilité dépend du soleil ou du vent. La recharge bidirectionnelle est un moyen d’utiliser au mieux les énergies renouvelables et de mieux gérer les fluctuations du réseau. Ce sont des avancées techniques comme la recharge intelligente et la batterie d’un million de miles qui la rendent possible.

SÉLECTION DES ALLIAGES AU NICKEL POUR CHOISIR LA BONNE FAMILLE

Part de chaque famille

production

Comment améliorer un produit ou le fabriquer à moindre coût sans perte de qualité ?

Tout le monde pose cette question, des ingénieurs d’études aux acheteurs en passant par les directeurs de la fabrication. Elle est importante pour toute entreprise souhaitant avoir une longueur d’avance sur la concurrence. Et quand le produit fait intervenir l’acier inoxydable, les prescripteurs peuvent envisager un autre alliage, en particulier s’il est moins cher. Cela conduit souvent à envisager un matériau venant d’une autre famille d’alliages inoxydables.

Alors que faut-il prendre en compte quand on envisage de changer de famille d’alliages pour un usage particulier ?

Alliages duplex

La famille des alliages duplex (austénoferritiques) se caractérise par une limite d’élasticité et une résistance à la traction très supérieures à celles des alliages ferritiques ou austénitiques, ce qui la rend particulièrement intéressante pour réduire l’épaisseur de paroi d’un réservoir ou d’une citerne sous pression. La duc tilité est moins grande, quoiqu’elle reste en général assez élevée. Mais lorsque la formabilité est importante, la plus grande résistance peut être un inconvénient.

Le soudage peut aussi poser problème, non qu’il soit difficile, mais parce qu’il diffère de celui des alliages austénitiques auxquels les soudeurs sont beaucoup plus habitués. Il y a même des différences appréciables à prendre en compte pour le soudage selon la sous-famille (lean duplex, duplex standard, super duplex, etc.). La température d’utilisation prévue est également importante, car les alliages duplex présentent certaines limites. Aux températures cryogéniques, leur phase ferritique devient cassante, et à haute

température (dès 270 °C), leur microstructure peut subir des modifications nuisibles. En outre, chaque sous-famille compte de nombreux alliages, ce qui crée des difficultés quand il faut se procurer un ensemble de produits de tailles et de formes différentes. Depuis l’apparition des aciers duplex alliés à l’azote, on s’attendait à une forte progression de leur part de marché, mais la complexité de leur usage fait qu’elle a stagné autour d’à peine 1 % tout au long des dix dernières années.

Série 200

Les aciers inoxydables de la série 200, qui sont complètement austénitiques, existent déjà depuis plus de 70 ans. Ils contiennent davantage de manganèse, si bien que leur teneur en nickel peut être réduite, mais pas totalement éliminée. Les aciers de série 200 produits à l’heure actuelle sont pour la plupart des alliages à faible teneur en chrome, qui en contiennent 12 % à 16 % en général. Par comparaison, les aciers de nuance 304 en contiennent au moins 17,5 %, ce qui leur confère une plus grande résistance à la corrosion. C’est donc dans les usages ne nécessitant qu’un minimum de résistance à la

corrosion que la série 200 peut convenir.

Les alliages de cette série durcissent vite pendant l’écrouissage, ce qui entraîne parfois une fissuration à froid longtemps après. Ces alliages sont souvent addition nés de cuivre afin de réduire la vitesse de durcissement. Il faut donc veiller, le cas échéant, à ce que les alliages de série 200 à faible teneur en chrome sélectionnés possèdent une résistance à la corrosion adéquate et des propriétés de formage convenables.

Aciers inoxydables ferritiques

Les aciers inoxydables ferritiques sont disponibles depuis la découverte de leurs propriétés hors du commun il y a plus de 110 ans. La teneur en chrome de cette famille va du minimum absolu de 10,5 % par définition jusqu’à près de 30 %. Il s’utilise le plus souvent en tôles assez minces (≤ 4 mm), car dans les tôles plus fortes une croissance de grain extrême peut poser des problèmes, en particulier lors du soudage. De même qu’avec les aciers duplex, la phase ferritique présente des limites à basses comme à hautes températures. Beaucoup de prescripteurs sont d’abord attirés vers les alliages ferritiques par la promesse d’un

moindre coût, car ils contiennent très peu ou pas de nickel. Cependant, leurs coûts de production sont généralement plus élevés que ceux des alliages austénitiques et les limites d’épaisseur, de températures d’utilisation et de soudabilité ont restreint leur adoption. En fait, depuis 2010, la part des aciers inoxydables ferritiques dans la production totale a diminué d’environ 30 %. Comme avec tout changement de matériau envisageable, il est important de bien comprendre l’incidence de chaque propriété sur la fabrication et sur l’utilisation finale. Toutefois, ces alliages se prêtent à nombre d’utilisations et s’emploient par exemple dans les tubes pour échangeur de chaleur à paroi mince, où leur faible coefficient de dilatation thermique et leur conductivité thermique un peu plus élevée peuvent être des avantages.

Si vous songez à remplacer un acier inoxydable par un autre, qu’il appartienne ou non à la même famille, le service d’information technique en ligne du Nickel Institute peut vous apporter des conseils adaptés : www.inquiries.nickelinstitute.org

Faisceau tubulaire en acier inoxydable superferritique Sea-cure® (UNS S44660) utilisé pour refroidir le pétrole brut déstocké des dômes de sel où réside une partie de la réserve stratégique des États-Unis.

Les appareils soudés, tels que cette chambre à vide faisant intervenir différentes formes de produits, un large éventail d’épaisseurs de métal et un fini de surface finement poli, sont plus faciles à produire à partir d’aciers inoxydables austénitiques de la série 300.

JOHNSEN ULTRAVAC (JUV)

PLYMOUTH

TUBE CO.

Geir Moe est l’ingénieur chargé de coordonner le service d’information technique du Nickel Institute. Constituée d’experts techniques situés dans le monde entier, son équipe se tient à la disposition des utilisateurs et prescripteurs de matériaux contenant du nickel pour leur apporter gratuitement des conseils techniques sur une vaste gamme d’utilisations de ce métal (aciers inoxydables, alliages de nickel, nickelage, etc.) et leur permettre ainsi de tirer parti de ses nombreux avantages en toute confiance. https://inquiries.nickelinstitute.org/

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saviez-vous ?

experts du Nickel Institute répondent à vos

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Question : J’ai entendu parler de l’indice de résistance à la corrosion par piqûre PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) pour l’acier inoxydable. Comment s’utilise-t-il pour la sélection d’un matériau ? L’indice PREN repose sur une formule servant à classer la résistance de différents aciers inoxydables à un début de piqûration en fonction de leur composition. Nombre de formules ont été établies pour les différentes familles d’acier inoxydable en corrélant leur composition avec des essais de résistance à la corrosion par piqûre. La formule qui suit est probablement la plus connue pour les aciers inoxydables au nickel :

PREN = % Cr + (3,3 × % Mo) + (16 × % N)

La formule ci-dessus ne peut pas s’utiliser toute seule pour sélectionner un matériau pour un environnement particulier. Mais l’indice PREN peut servir à trouver un acier inoxydable plus résistant qu’un autre si ce dernier se piqûre.

Chaque acier inoxydable est défini par des teneurs minimum et maximum en nickel, chrome et molybdène, alors que son indice PREN dépend de sa composition effective. Le tableau ci-dessous présente par exemple les teneurs minimum et maximum de ces éléments pour différents aciers inoxydables au nickel définis par la norme

ASTM A240 ainsi que les indices PREN correspondants.

Il faut souligner que même si l’indice PREN s’utilise souvent pour comparer les alliages, il repose seulement sur leur composition et omet de prendre en compte d’autres facteurs influant sur la piqûration. Ces facteurs comprennent l’inhomogénéité ou la ségrégation de la microstructure, la rugosité des surfaces et le taux d’inclusions.

Selon l’expérience acquise avec les équipements en service, un acier inoxydable est considéré comme résistant à l’eau de mer si son indice PREN est d’au moins 40. Cet indice peut donc servir à établir un seuil d’assurance qualité dans la production des alliages. Et de fait, selon la norme ASTM A240, l’acier super duplex 2507 doit avoir un indice PREN d’au moins 41.

L’indice PREN fait l’objet d’une présentation plus approfondie dans la publication du Nickel Institute intitulée Guidelines for the use of stainless steel and nickel-containing alloys in water (11 003) [Guide d’utilisation des aciers inoxydables et autres alliages au nickel dans l’eau].

Nouvelles

Actualisation des publications d’Inco

Le Nickel Institute a actualisé et republié 22 publications techniques importantes initialement créées par l’entreprise canadienne Inco, après en avoir assuré la maintenance. Ces guides en version numérique de qualité améliorée permettent tous une recherche en texte libre.Les publications originales ont été rédigées par des experts des différents domaines traités et apportent des renseignements toujours très actuels. Leur contenu technique de haute tenue aidera les praticiens à employer les matériaux au nickel en toute confiance pour tirer parti de leurs avantages dans une vaste palette d’utilisations. Les informations qu’elles contiennent seront utiles aux soudeurs, chaudronniers, métalliers, ingénieurs et rédacteurs de cahiers des charges.

La deuxième édition actualisée de la publication sur les gainages en alliages nickel-chrome-molybdène intitulée Wallpaper lining with nickelchromium-molybdenum alloys (11 020) vient de paraître. Il s’agit d’une mine d’informations pour les concepteurs d’unités de désulfuration des gaz de combustion du secteur de l’énergie et d’autres équipements de traitement chimique. Elle porte notamment sur les questions de conception, de planification et de soudage (préparation, procédures et nettoyage subséquent).

Le Nickel Institute a publié un guide intitulé How to determine GHG emissions from nickel metal Class 1 production, conçu pour aider les producteurs de nickel à calculer leurs émissions de gaz à effet de serre dans la production de nickel métallique de classe 1.

Tenant compte de la complexité de la production de nickel, il aidera à recueillir des données scientifiques sûres, fiables et comparables dans l’ensemble du secteur. Ce guide précise les principes, conditions et méthodes à respecter pour quantifier et communiquer les émissions de GES des procédés de production de nickel affiné et l’empreinte carbone des différents produits et précurseurs de la filière, tels que les minerais de nickel, les concentrés de nickel issus de l’enrichissement et de la préparation mécanique des minerais et le nickel intermédiaire issu de l’extraction primaire à partir de nickel tant latéritique que sulfureux. En suivant ce guide avec soin, les producteurs de nickel, ainsi que leurs clients et les autres parties prenantes, peuvent calculer l’impact de la production de nickel de classe 1 sur les changements climatiques.

Toutes les publications sont disponibles en téléchargement gratuit sur le site du Nickel Institute :

LE BANC-DRAGON DE L’OREGON

MX3D, créateur du premier pont métallique imprimé en 3D, installé à Amsterdam, a inauguré son tout dernier ouvrage : un banc de métal imprimé en 3D qui repousse les limites de l’innovation. Le Banc-dragon de l’Oregon (Oregon Dragon Bench) est une sculpture installée devant l’édifice LeBron James abritant le Centre pour l’innovation sur le campus du siège social mondial de Nike à Beaverton (Oregon).

Avec le robot d’impression 3D innovant de MX3D, Joris Laarman a pu créer des formes entrelacées complexes évoquant une sorte d’arabesque. Dimensions du banc d’acier inoxydable : 10 m × 3 m × 2,5 m.

Imprimée en acier duplex de nuance 2209 (UNS S39209), un alliage au nickel utilisé en impression 3D, cette œuvre du créateur néerlandais Joris Laarman intègre une inclinaison structurale qui garantit sa stabilité tout en optimisant son poids total. En procédant par optimisation topologique, le créateur a déterminé les points supportant le plus grand poids, puis disposé le matériau seulement là où c’était absolument nécessaire.

Pour fabriquer cet ouvrage saisissant, Joris Laarman a aussi réalisé son propre robot d’impression 3D (le MX3D), qui fait naître des formes en traçant des lignes de

métal fondu dans l’espace. Son bras robotisé spécialement adapté fond et soude le métal (qui peut être de l’acier inoxydable, de l’aluminium, du cuivre ou du bronze) dans n’importe quelle direction et sans nécessiter de structures porteuses. La méthode d’impression robotisée de MX3D offre une plus grande souplesse de création des formes et des textures tout en utilisant moins de matière.

Le Banc-dragon de l’Oregon marque une étape dans le parcours de Joris Laarman alors qu’il continue d’explorer les innovations rendues possibles par la fabrication additive.