Stockage de CO2 par carbonatation accélérée de granulats recyclés pour la valorisation de matériaux carbo-négatifs dans le secteur de construction

Les granulats recyclés sont des matériaux produits sur plateforme de recyclage par concassage et criblage de déchets inertes du BTP. Ces matériaux présentent la particularité d’être hétérogènes en nature (béton de démolition pour majeure partie, matériaux naturels issus des déblais de chantier, céramiques, matériaux en terre cuite, verre, …), variables en proportion des constituants et variables en propriétés physico-mécaniques d’une campagne de concassage à l’autre. Avec la technicité développée sur les plateformes, du tri des déchets entrants au stockage des GR, ces matériaux sont une réelle alternative à l’usage des matériaux naturels extraits de carrières mais ils peuvent également présenter, de par leur nature, une valeur ajoutée pour le secteur de la construction. D’abord, ce sont des matériaux produits localement et peuvent donc être globalement plus proches des chantiers de construction. Ensuite, ce sont des matériaux réactifs au contact du CO₂ ce qui peut potentiellement faire des plateformes de recyclage des puits de carbone « gris » artificiels. Les granulats recyclés à base de béton de démolition ont en effet la faculté de stocker le CO₂, qu’il soit d’origine naturelle en condition atmosphérique ou bien artificielle s’ils sont au contact de gaz industriels. Dans un récent projet de recherche, piloté par le LaSIE et intitulé CARBONE GRIS, les résultats ont mis en avant le fort potentiel de ces matériaux pour stocker du CO₂ puisqu’à l’échelle du grain, on estime qu’une tonne GR peut piéger plus de 20 kg de CO₂ en moins de 3 mois. Comparé aux émissions de CO₂ générée pour les produire (1,5 kg de CO₂/t GR selon l’UNPG), les GR pourraient donc être des matériaux carbo-négatifs. Néanmoins, il a aussi été constaté, qu’en l’état actuel du process industriel (réception sur site/tri/concassage/criblage/mise en stock/vente), le stockage réel était cent fois moindre soit environ 0,2 kg de CO₂/t de GR. En sachant qu’il est difficile de changer radicalement le process pour des raisons temporelles et d’espace, il est donc à privilégier la carbonatation accélérée grâce à un apport de CO₂ industriel sur les plateformes. L’objectif de ce travail de thèse est donc de développer un procédé industriel pour carbonater significativement les GR sans pour autant bouleverser la technicité d’une industrie déjà bien en place pour la production de matériaux de construction.

La plateforme de recyclage rochelaise Valosphère (filiale de Spie batignolles malet) peut idéalement se prêter à ce développement, car dans le cadre du projet LRTZC (La Rochelle territoire zéro carbone), la communauté d’agglomération de La Rochelle, souhaite devenir le 1^er territoire du littoral urbain neutre en carbone d’ici 2040. Si le territoire peut compter sur ses capacités naturelles de séquestration de CO₂ grâce à l’océan Atlantique et ses marais littoraux, il est possible de créer des pièges artificiels pour décarboner l’industrie voire faire des plateformes de recyclage une industrie carbo-négative.

Le travail de recherche à réaliser durant cette thèse aura pour objectif de comprendre le phénomène de transfert et de réaction du CO2 injecté dans un stock de granulats recyclés soumis à des variations environnementales, afin d’optimiser les paramètres d’injection pour en maximiser la carbonatation. On cherchera notamment à répondre aux questions suivantes :

• Quel est le potentiel effectif de stockage en CO₂ des granulats recyclés que l’on souhaite carbonater ?
• Comment les variations environnementales (pluie, vent, soleil, etc.) impactent des paramètres clés comme la teneur en eau inter- et intra-granulaire des granulats recyclés, autrement dit les teneurs en eau à l’échelle du grain et à l’échelle de l’empilement granulaire ?
• Quels sont les effets de la teneur en eau et de la température sur les cinétiques de carbonatation ?
• Quels sont les effets des paramètres d’injection du CO₂ (pression, débit, concentration, répartition spatiale) sur le transfert et les cinétiques de réaction du CO2.
• Quels sont les effets de la nature, de la granulométrie et de la compacité du stock de GR ?
• Peut-on carbonater l’intégralité du CO2 injecté ?
• …

Pour y répondre, trois axes de recherches seront privilégiés, à savoir :

1. Développement d’une méthode de caractérisation visant à évaluer le potentiel de stockage de CO2 des granulats recyclés ;
2. Développement de maquettes instrumentées pour carbonater des stocks de granulats recyclés au laboratoire ;
3. Participation au développement d’un prototype industriel implanté sur site pour la carbonatation des granulats recyclés.

Le LaSIE est un laboratoire sous la double tutelle de La Rochelle Université et du CNRS (UMR 7356). Ses domaines d'application s'étendent de la durabilité et la protection des matériaux sous contraintes environnementales à la qualité des ambiances urbaines et habitables. Les travaux de recherche envisagés pour ce projet s’intègrent dans les thématiques de l’axe TDVM (Transferts, Dégradation, Valorisation des Matériaux). Cet axe a pour vocation d’étudier les phénomènes de transferts et d’intéractions des espèces chimiques dans les milieux ordonnés (cristallins), désordonnés (polymères) et poreux (matériaux cimentaires, dépôt calco-magnésien). Les actions sont focalisées sur les aspects de durabilité des structures en environnements agressifs à travers l’étude des mécanismes de dégradation. Depuis 2006, le laboratoire s’est spécialisé dans la conception d’éco-matériaux de construction pour une meilleure valorisation des déchets issus de la déconstruction.

Le programme de thèse est à dominante expérimentale. Le ou la candidat·e devra posséder des connaissances dans les domaines des géosciences, du Génie Civil et de la Chimie des matériaux. Motivé·e par des approches fondamentales comme applicatives, des notions de modélisation numérique sont souhaitables.