Solutions pour secteurs à fortes émissions de carbone
Secteurs à fortes émissions de carbone
Les futurs systèmes d'énergie propre devront fournir de l'énergie à faibles émissions carbone et maximiser l'efficacité énergétique des applications finales, qu'il s'agisse de production d'électricité et de chaleur à usage domestique et industriel, d'agriculture, d'industrie forestière ou d'autres formes d'utilisation des terres, ou encore des transports.
L'industrie lourde, notamment, est connue pour ses importantes émissions carbone, notoirement difficiles à réduire. D'après l'Agence internationale de l'énergie, les émissions directes de CO2 de l'industrie lourde dans les seuls pays du G7 équivalent à environ 6 milliards de tonnes par an, plus d'un sixième des émissions de CO2 totales du système d'énergie mondial. Étant donné que les secteurs mondiaux de l'acier et du ciment sont chacun responsables d'au moins 8 % des émissions mondiales d'équivalent carbone, nous assistons à une explosion des innovations destinées à rendre ces deux industries essentielles plus propres et plus durables.
À noter :
pour les recherches "smart search" ci-dessous qui génèrent un nombre de résultats particulièrement élevé, vous avez la possibilité d'afficher uniquement les résultats les plus récents ou tous les résultats. Vous souhaitez peut-être en savoir plus sur la fonctionnalité de filtrage d'Espacenet qui rend possible cet affichage. Nous proposons également des formations en ligne sur l'utilisation et l'optimisation d'Espacenet.
- Acier vert
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Le fer est produit dans des hauts fourneaux à partir de minerai d'oxyde de fer. On utilise du coke chauffé au rouge et du gaz contenant du carbone pour réduire le minerai en fer et carbure de fer, ce qui produit du CO2. Le fer brut est ensuite affiné afin d'éliminer le surplus de carbone et d'obtenir le degré de pureté requis. Ce procédé est extrêmement énergivore : au total, près de deux tonnes de CO2 sont émises par tonne de fer produite.
Selon les études du GIEC, l'industrie de l'acier est responsable d'environ 8 % des émissions mondiales de CO2.
Les instituts de recherche et le secteur de l'acier lui-même étudient des mesures de réduction des émissions. Un nouveau procédé prometteur de production d'acier implique l'utilisation de l'hydrogène (de préférence vert et produit par électrolyse à l'aide d'énergies renouvelables) comme agent réducteur en remplacement des réducteurs contenant du carbone.
D'autres solutions consistent à utiliser des sources d'énergie renouvelables dans l'intégralité du processus de production, à mieux recycler la chaleur, à réutiliser les ferrailles et à optimiser les procédés existants.
Élimination, captage ou reformage du CO2
Élimination du CO2L’objectif numéro un doit rester l’élimination ou la réduction des émissions de CO2 dans le procédé de production. Priorité est donnée à l'emploi d’agents réducteurs alternatifs pour remplacer le coke, fortement émetteur de CO2, le candidat idéal étant l’hydrogène (voir la Smart search ci-dessous). D’autres agents réducteurs potentiels sont à l’étude, comme le méthane, aisément disponible.
Captage ou reformage du CO2
S’il n’est pas possible d'éviter les émissions de CO2, le captage et le stockage ou le reformage du CO2 constituent une alternative. Le CO2 peut également être converti en monoxyde de carbone afin d’être réutilisé dans le haut fourneau.
Utilisation de l'hydrogène comme agent réducteur
La production d'acier emploie traditionnellement du coke comme source de carbone pour réduire le minerai d'oxyde de fer, ce qui entraîne d'énormes émissions de CO2. L'hydrogène, de préférence produit par électrolyse alimentée à l'énergie solaire ou éolienne, génère comme unique sous-produit de la vapeur.
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Rendement des procédés et récupération de chaleur
Il existe divers moyens d'améliorer le rendement global des procédés actuels de production d'acier. L'optimisation des conditions d'exploitation et l'utilisation de hauts fourneaux présentant une meilleure efficacité énergétique peuvent s'accompagner d'une amélioration de la récupération et de la réutilisation de la chaleur. La vapeur qui résulte du processus peut servir à produire de l'électricité par des moyens conventionnels, tandis que les principaux gaz du haut fourneau peuvent être réutilisés pour chauffer d'autres procédés. Pour éviter d'avoir à réchauffer l'acier qui vient d'être produit, celui-ci peut être immédiatement transféré à un procédé comme le laminage avant d'avoir pu refroidir.
Cogénération avec d'autres technologies
La cogénération a pour but de réutiliser le CO2 dans d'autres technologies. Cela implique de modifier ou de nettoyer le CO2 émis dans des systèmes d'épuration dédiés, avant de le réutiliser dans d'autres procédés chimiques ou biochimiques (ou une combinaison des dieux) qui utilisent par exemple des microbes pour produire du méthane.
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Recyclage des ferrailles dans des fours électriques
Fondues dans un four électrique, les ferrailles peuvent permettre de produire directement de l'acier de haute qualité. Sinon, elles peuvent servir de matière première aux hauts fourneaux conventionnels. Les procédés permettant de faciliter ces techniques sont perfectionnés et optimisés en continu.
- Ciment vert
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Le ciment est un liant qui est combiné à du sable et du gravier ou d'autres agrégats pour produire du béton, le matériau le plus utilisé à l'heure actuelle à l'exception de l'eau. Le ciment hydraulique, principalement du ciment Portland, fait prise et forme une matrice durcie par hydratation afin de produire du silicate de calcium hydraté, particulièrement résistant à l'érosion chimique et aux intempéries.
Généralement chauffés au coke de charbon ou de pétrole, les fours à ciment sont très gourmands en énergie car les matières premières, dont la chaux (carbonate de calcium), doivent être chauffées à environ 1 450 °C. La désacidification de la chaux libère également du CO2. La production mondiale de ciment est en hausse et s'élève actuellement à environ quatre milliards de tonnes par an. On estime qu'elle est responsable d'environ 8 % des émissions mondiales de CO2.
La recherche et le développement se concentrent sur la réduction et la séquestration du CO2, deux domaines caractérisés par une large gamme de nouvelles technologies. Les principaux secteurs d'innovation sont les matières premières et les combustibles alternatifs, ainsi que l'optimisation de la production de ciment. Des liants à faible teneur en carbone pourraient remplacer partiellement le ciment lui-même. Entretemps, des liants carbonatables peuvent être utilisés comme suppléments afin d'absorber une partie du CO2 relâché lors de la prise.
Réduction du CO2
Matières premières alternatives
La recherche de matières premières alternatives est un vaste sujet, qui s'intéresse notamment à l'empreinte CO2 et aux capacités du liant. Les boues d'épuration, qui peuvent également servir de combustible secondaire, les matériaux de construction et décombres de démolition recyclés, ou encore les sous-produits industriels comme les cendres volantes et les laitiers de haut fourneau constituent de bons exemples de ces matières alternatives.
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Combustibles alternatifs
Les combustibles alternatifs (secondaires) incluent les déchets présentant une valeur calorimétrique suffisante qui, après frittage à haute température, peuvent être totalement incorporés au ciment lui-même. Quelques exemples de déchets adaptés : pneus, boues d'épuration et sciure.
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Réduction de la consommation de combustible
Il existe divers moyens de réduire le volume de carburant utilisé pour la production de ciment : hausse du rendement des fours, mise en place de mesures de réduction des pertes de chaleur, optimisation du recyclage de la chaleur et de l'énergie, utilisation de sous-produits en tant que composants de la production de ciment.
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Liants à faibles émissions carbone
Il est possible d'utiliser des liants géopolymères pour remplacer le ciment Portland. Certains mélanges composites spécifiques suscitent un intérêt grandissant, notamment en raison de leurs propriétés liantes accrues, et sont optimisés en permanence. Des ciments alcali-activés à base de granulés de laitiers ou de cendres volantes peuvent également être utilisés pour produire des liants à émissions de CO2 très faibles voire nulles.
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Liants carbonatables
Le remplacement partiel du ciment conventionnel par des liants carbonatables réduit les émissions de CO2 de la chaux et permet d'économiser des matières premières.
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Séquestration du CO2
Ajouts cimentaires
Parmi les ajouts cimentaires pouvant être utilisés pour réduire les émissions, citons des matériaux dûment traités comme la terre, les déchets ou d'autres types de matières contenant de la silice et de l'alumine.
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Matériaux de remblayage ou agrégats carbonatés
La réutilisation du ciment usagé, après broyage et traitement, peut remplacer partiellement le gravier tout en absorbant une partie du CO2 produit par le béton, voire permettre d'utiliser une plus faible proposition de ciment.
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Durcissement au dioxyde de carbone
Le CO2 lui-même peut être introduit dans le mortier ou le béton, par exemple par injection sous forme gazeuse lors du mélange et du durcissement. En plus d'utiliser et de fixer l'excédent de CO2, cela peut permettre d'améliorer la résistance du béton et donc de réduire le volume de ciment nécessaire.