La course pour refaire l'industrie sidérurgique de 2.5 billions de dollars avec de l'acier vert

Dans la ville À Woburn, dans le Massachusetts, une banlieue juste au nord de Boston, un groupe d'ingénieurs et de scientifiques en blouse blanche ont inspecté une pile ordonnée de lingots d'acier gris bronze de la taille d'une brique sur un bureau à l'intérieur d'un laboratoire éclairé au néon.

Ce qu'ils examinaient était un lot d'acier créé à l'aide d'une méthode de fabrication innovante, qui Boston Métal, une entreprise issue du MIT il y a dix ans, espère remodeler radicalement la façon dont l'alliage est fabriqué depuis des siècles. En utilisant l'électricité pour séparer le fer de son minerai, l'entreprise prétend pouvoir fabriquer de l'acier sans rejeter de dioxyde de carbone, ouvrant ainsi la voie à l'assainissement de l'une des pires industries au monde en termes d'émissions de gaz à effet de serre.

Intrant essentiel pour l'ingénierie et la construction, l'acier est l'un des matériaux industriels les plus populaires au monde, avec plus de 2 milliards tonnes produites annuellement. Cette abondance a cependant un prix élevé pour le sûr, heureux et sain. La sidérurgie représente 7 pour cent en 11 des émissions mondiales de gaz à effet de serre, ce qui en fait l’une des plus grandes sources industrielles de pollution atmosphérique. Et parce que la production pourrait augmenter d’un tiers d’ici 2050, ce fardeau environnemental pourrait s’alourdir.

Cela pose un défi important pour lutter contre la crise climatique. Les Nations Unies dit Réduire de manière significative les émissions industrielles de carbone est essentiel pour maintenir le réchauffement climatique sous la barre des 1.5 degrés Celsius fixée par l’accord de Paris sur le climat de 2015. Pour y parvenir, les émissions de l’industrie sidérurgique et des autres industries lourdes devront diminuer de 93 % d’ici 2050, selon estimations par l’Agence internationale de l’énergie.

Face à la pression croissante des gouvernements et des investisseurs pour réduire leurs émissions, un certain nombre de sidérurgistes, notamment de grands producteurs et des startups, expérimentent des technologies à faible intensité de carbone qui utilisent de l'hydrogène ou de l'électricité au lieu de la fabrication traditionnelle à forte intensité de carbone. Certains de ces efforts sont proches d’une réalité commerciale.

"Nous parlons d'une industrie à forte intensité de capital et averse au risque, où les perturbations sont extrêmement rares", a déclaré Chris Bataille, économiste de l'énergie à l'IDDRI, un groupe de réflexion basé à Paris. Par conséquent, a-t-il ajouté, « c'est excitant » qu'il se passe autant de choses en même temps.

Pourtant, les experts s’accordent sur le fait que transformer une industrie mondiale en pleine mutation $2.5 billions en 2017 et emploie plus de 6 millions de personnes demandera d’énormes efforts. Au-delà des obstacles pratiques à la mise à l'échelle de nouveaux processus à temps pour atteindre les objectifs climatiques mondiaux, il existe des inquiétudes concernant la Chine, où est produite plus de la moitié de l'acier mondial et dont les projets de décarbonisation du secteur sidérurgique restent vagues.

« Ce n'est certainement pas une solution facile pour décarboniser une industrie comme celle-ci », a déclaré Bataille. « Mais il n'y a pas le choix. L’avenir du secteur – et celui de notre climat – en dépend.

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La sidérurgie moderne implique plusieurs étapes de production. Le plus souvent, le minerai de fer est broyé et transformé en fritté (un solide rugueux) ou en pellets. Séparément, le charbon est cuit et transformé en coke. Le minerai et le coke sont ensuite mélangés à du calcaire et introduits dans un grand haut fourneau où un flux d'air extrêmement chaud est introduit par le bas. À haute température, le coke brûle et le mélange produit de la fonte liquide, appelée fonte brute ou fonte de haut fourneau. Le matériau fondu passe ensuite dans un four à oxygène, où il est soufflé avec de l'oxygène pur à travers une lance refroidie à l'eau, ce qui chasse le carbone pour laisser l'acier brut comme produit final.

Cette méthode, brevetée pour la première fois par l'ingénieur anglais Henry Bessemer dans les années 1850, produit des émissions de dioxyde de carbone de différentes manières. Premièrement, les réactions chimiques dans le haut fourneau entraînent des émissions, car le carbone piégé dans le coke et le calcaire se lie à l’oxygène de l’air pour créer du dioxyde de carbone comme sous-produit. En outre, les combustibles fossiles sont généralement brûlés pour chauffer le haut fourneau et alimenter les usines de frittage et de granulation, ainsi que les fours à coke, émettant ainsi du dioxyde de carbone.

Jusqu'à 70 pour cent de l'acier mondial est produit de cette façon, générant près de deux tonnes de dioxyde de carbone pour chaque tonne d'acier produite. Le 30% restants est presque entièrement fabriqué au moyen de fours à arc électrique, qui utilisent un courant électrique pour faire fondre l'acier (des déchets en grande partie recyclés) et ont des émissions de CO2 bien inférieures que les hauts fourneaux.

Mais en raison de l'offre limitée de ferraille, toutes les demandes futures ne pourront pas être satisfaites de cette manière, a déclaré Jeffrey Rissman, directeur de programme industriel et responsable de la modélisation à la société de politique énergétique et climatique basée à San Francisco, Energy Innovation. Avec des politiques appropriées en place, le recyclage pourrait répondre à 45 pour cent de la demande mondiale en 2050, a-t-il déclaré. "Le reste sera satisfait en forgeant de l'acier à base de minerai primaire, d'où proviennent la plupart des émissions."

Ainsi, « si l’industrie sidérurgique est sérieuse » quant à ses engagements climatiques, a-t-il ajouté, « elle devra remodeler fondamentalement la manière dont le matériau est fabriqué – et ce, assez rapidement ».

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Une technologie alternative en cours de test consiste à remplacer le coke par de l'hydrogène. En Suède, Hybride— une coentreprise entre le sidérurgiste SSAB, le fournisseur d'énergie Vattenfall et LKAB, un producteur de minerai de fer — pilote un processus visant à réutiliser un système existant appelé fer réduit directement. Le processus utilise du coke provenant de combustibles fossiles pour extraire l’oxygène des boulettes de minerai de fer, laissant une boulette de fer poreuse appelée fer éponge.

La méthode Hybrit extrait l’oxygène à l’aide d’hydrogène gazeux sans fossile. Le gaz est créé par électrolyse, une technique qui utilise un courant électrique – dans ce cas, provenant d’une source d’énergie non fossile – pour séparer l’eau en hydrogène et oxygène. (L'hydrogène le plus pur aujourd'hui est faite avec du méthane, qui produit du CO2 lorsqu'il est brûlé.) L'éponge de fer résultante est ensuite envoyée dans un four à arc électrique, où elle est finalement raffinée en acier. Le processus ne libère que de la vapeur d’eau comme sous-produit.

"Cette technologie est connue depuis un certain temps, mais jusqu'à présent, elle n'a été réalisée qu'en laboratoire", a déclaré Mikael Nordlander, responsable de la décarbonation industrielle chez Vattenfall. « Ce que nous faisons ici, c’est voir si cela peut fonctionner au niveau industriel. »

En août dernier, Hybrit a franchi une première étape : SSAB, qui produit et vend le produit final, livré son premier lot d’acier sans énergie fossile au constructeur automobile Volvo, qui l'a utilisé dans des prototypes de véhicules. Il prévoit également une usine de production à l’échelle commerciale, qu’il prévoit d’achever d’ici 2026.

Une autre entreprise suédoise, H2 Green Steel, développe une usine sidérurgique à hydrogène similaire à l'échelle commerciale avec l'aide de 105 millions de dollars levés auprès d'investisseurs privés et d'entreprises, dont Mercedes-Benz, Scania et la Fondation IMAS, une organisation liée à Ikea. L'entreprise plans commencer la production d’ici 2024 et produire 5 millions de tonnes d’acier zéro émission par an d’ici la fin de la décennie. D'autres entreprises testent la fabrication d'acier à l'hydrogène, notamment ArcelorMittal, Thyssenkruppet une Salzgitter AG en Allemagne; Posco en Corée du Sud ; et voestalpine en Autriche.

L’électricité peut également être utilisée pour réduire le minerai de fer. Boston Metal, par exemple, a développé un procédé appelé électrolyse des oxydes fondus, dans lequel un courant circule dans une cellule contenant du minerai de fer. À mesure que l'électricité circule entre les deux extrémités de la cellule et réchauffe le minerai, l'oxygène bouillonne (et peut être collecté), tandis que le minerai de fer est réduit en fer liquide qui s'accumule au fond de la cellule et est périodiquement exploité. Le fer purifié est ensuite mélangé avec du carbone et d’autres ingrédients.

« Ce que nous faisons, c'est essentiellement échanger du carbone contre de l'électricité comme agent réducteur », a expliqué Adam Rauwerdink, vice-président senior du développement commercial de l'entreprise. "Cela nous permet de fabriquer de l'acier de très haute qualité en utilisant beaucoup moins d'énergie et en moins d'étapes que la fabrication d'acier conventionnelle." Tant que l’électricité provient de sources non fossiles, a-t-il ajouté, le processus ne génère aucune émission de carbone.

Il a déclaré que la société, qui exploite actuellement trois lignes pilotes dans ses installations de Woburn, s'efforce de commercialiser son concept de laboratoire, en utilisant 50 millions de dollars récoltés l'année dernière d'un groupe d'investisseurs comprenant Breakthrough Energy Ventures, soutenu par Bill Gates, et le constructeur automobile allemand BMW. Une usine de démonstration à l’échelle commerciale devrait être opérationnelle d’ici 2025.

"Je pense que toutes ces solutions ont leur place, en fonction de l'emplacement, de la disponibilité des ressources et du produit ciblé", a déclaré Sridhar Seetharaman, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Arizona State University. "Cependant, je ne pense pas que pour l'instant, quelqu'un à lui seul puisse vous donner la solution miracle pour répondre à la demande."

"L'hydrogène a une certaine longueur d'avance car il repose sur un système établi et il est également en avance en termes de commercialisation", a déclaré Bataille, économiste de l'énergie à l'Iddri. "Mais pour parvenir à une industrie sidérurgique carboneutre, il faudra davantage de voies sans carbone, donc je pense qu'il y aura suffisamment de place sur le marché pour toutes ces filières à la fin."

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Bien que les processus de production d’acier plus écologiques semblent prendre de l’ampleur, il reste un certain nombre de défis sérieux à relever. Le principal d'entre eux est l'expansion massive des infrastructures d'énergies renouvelables qu'impliquerait un passage à l'échelle de l'industrie vers ces nouvelles méthodes, a déclaré Thomas Koch Blank, directeur principal de l'organisation à but non lucratif basée au Colorado. Rocky Mountain Institute. Il estime que le monde aurait besoin de trois fois plus de sources d’énergie solaire et éolienne actuellement installées pour électrifier la production d’acier primaire existante.

Un autre obstacle est le coût. Le passage à l’électricité ou à l’hydrogène nécessiterait d’importantes dépenses en capital pour construire de nouvelles centrales et moderniser les anciennes. Dans le cas de la méthode de l'hydrogène propre, le prix de l'acier augmentera en grande partie parce que les producteurs d'acier sont situés à proximité de charbon à coke à faible coût plutôt que d'hydrogène à faible coût, a souligné Koch Blank. « Ces coûts initiaux feront probablement monter le prix de l’acier et des produits finis, du moins au début. »

Selon Rissman, analyste à San Francisco, une législation tant du côté de l'offre que de la demande pourrait aider à compenser ces coûts plus élevés et encourager davantage d'investissements dans des technologies plus vertes. Les gouvernements, a-t-il ajouté, pourraient encourager l’utilisation d’acier à faible teneur en carbone pour la construction et les infrastructures en exigeant que les projets financés par l’État utilisent des versions à faible teneur en carbone de matériaux de construction désignés. Ils pourraient également mettre en œuvre des politiques rendant plus coûteux les achats dans des pays où les règles en matière d’émissions sont moins strictes. Cela aidera les producteurs nationaux à « rester compétitifs » à mesure que le marché de l’acier propre « se développe et que les nouveaux processus de production permettent de réaliser des économies d’échelle », a déclaré Rissman.

Le principal obstacle est peut-être la Chine, où pour cent environ 90 de la production d’acier est réalisée à l’aide de hauts fourneaux. En septembre 2020, le président Xi Jinping annoncé que le pays vise à devenir neutre en carbone d'ici 2060. Dans le but de réduire la pollution des aciéries nationales, qui représentent environ 15 pour cent des émissions globales de carbone du pays, Pékin s'est également engagé à atteindre le pic d’émissions d’acier d’ici 2030. Malgré tout, 18 nouveaux projets de hauts fourneaux ont été annoncés en Chine au cours du seul premier semestre 2021, selon au Centre de recherche sur l'énergie et l'air pur, basé à Helsinki.

L’acier est l’une des industries les plus importantes et les plus difficiles à décarboner, a déclaré Rissman, donc une coordination mondiale dans ce domaine serait grandement utile.

De retour à Boston, Rauwerdink, inspectant les lignes d'usine de Boston Metal, était d'accord. "C'est un défi fantastique auquel nous sommes confrontés", a-t-il déclaré. Mais, a-t-il ajouté, « nous montrons que des solutions existent et fonctionnent ».

Cet article a été publié initialement le Undark. Lis le article original.

Crédit image: Třinecké železárny / Wikimedia Commons