Décarbonisation de la chaleur industrielle : Le secteur du fer et de l'acier

29 septembre 2021 par Julian Somers

Résumé

Une décarbonisation profonde d'ici à 2050 n'est possible que grâce à de nouveaux processus de production. La demande d'électricité du secteur pourrait être multipliée par trois d'ici 2050, du fait du passage à un acier fabriqué par réduction de l'hydrogène ou par électrolyse directe. D'ici à 2050, la production d'acier à partir de ferrailles recyclées augmente de +30 % à +70 % par rapport à 2018, ce qui se traduit par une part potentielle de 50 % à 77 % de la production totale d'acier d'ici à 2050. Il convient de tenir compte des ambitions de la Commission européenne, qui souhaite que les émissions de gaz à effet de serre soient nulles d'ici à 2050. On estime qu'une augmentation de l'acier recyclé ne réduirait les émissions de CO2 que de 0,5 %.

Pour réaliser les ambitions de la Commission européenne, il faut envisager de nouvelles technologies révolutionnaires, le CSC/U (captage et stockage/utilisation du carbone) et une augmentation du recyclage de l'acier. Le secteur de la production de fer et d'acier représentait 4 % de toutes les émissions de l'UE en 2017, huit scénarios issus de quatre publications (figure 2) sont comparés à l'AEP (ECF,ECF.

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Décarbonisation de la chaleur industrielle : Le secteur du fer et de l'acier

À la une

La production actuelle d'acier primaire est fortement intégrée ; les améliorations progressives de l'efficacité ne peuvent réduire davantage les émissions que d'environ 10 %. L'analyse des scénarios publiés récemment par diverses sources montre que :
Parvenir à une décarbonisation profonde d'ici 2050 n'est possible que grâce à de nouveaux processus de production.
La demande d'électricité du secteur pourrait être multipliée par trois d'ici 2050, du fait du passage à un acier fabriqué par réduction de l'hydrogène ou par électrolyse directe.
D'ici à 2050, la production d'acier à partir de ferraille recyclée augmente de +30 % à +70 % par rapport à 2018, ce qui se traduit par une part potentielle de 50 % à 77 % de la production totale d'acier d'ici à 2050.

Recommandations politiques

Augmenter le soutien à la RD&D pour les technologies compatibles avec une décarbonisation profonde du secteur (H-DRI, électrolyse, CCS/U).
Contrôler et améliorer l'impact des politiques visant à maximiser la réutilisation des déchets d'acier.
Mettre en place des politiques visant à tirer la demande afin de créer un marché pour l'"acier vert", comme les marchés publics écologiques pour les infrastructures financées par des fonds publics.

Aperçu du secteur du fer et de l'acier

La production de fer et d'acier est l'une des principales sources d'émissions de gaz à effet de serre de l'UE. Le secteur représentait 4 % de toutes les émissions de l'UE en 2017, et 23 % de l'industrie manufacturière. La production d'acier brut dans l'UE est constante depuis 2010, à environ 170Mt par an, et d'ici 2050 se situe entre 153Mt et 172Mt dans les scénarios du modèle FORECAST, qui a alimenté l'analyse de l'industrie de la vision stratégique à long terme de la Commission européenne. Il existe deux principales filières de fabrication de l'acier dans l'UE :

60% de l'acier est fabriqué par la voie intégrée, qui produit de l'acier vierge à partir de minerai de fer. Le fer, sous forme d'aggloméré, est réduit en présence de coke dans un haut fourneau (BF), puis transformé en acier brut dans un convertisseur basique à oxygène (BOF).
40 % de l'acier est produit par la voie du recyclage, où la ferraille d'acier est réparée et recyclée.

Aperçu de la chaleur industrielle

Environ 95 % de la demande de chaleur industrielle dans la fabrication du fer et de l'acier se produit à des températures très élevées (>500oC), et le charbon/coke est le principal intrant énergétique du processus, servant à la fois de source de combustible et de matière première sous forme de coke.

Si la voie intégrée et la voie du recyclage nécessitent toutes deux des processus à très haute température, leurs intensités d'émission et d'énergie diffèrent considérablement :

La voie intégrée repose sur la production de coke comme matière première pour réduire le fer dans le haut fourneau, et le minerai de fer lui-même doit être converti en frittage avant d'être introduit dans le haut fourneau. La cokéfaction et le frittage ont lieu dans l'aciérie et nécessitent des températures supérieures à 1000oC. Ces matériaux sont introduits dans un haut fourneau, où l'air chaud à plus de 1000oC forme des gaz réducteurs à partir du coke, qui réagit avec le minerai pour former du fer réduit ; les émissions de CO2 de ce processus sont un produit inévitable de la réduction chimique du minerai de fer. Avec 1,2 tonne de CO2 émise par tonne d'acier, le haut fourneau est responsable de plus de 60 % des émissions de CO2 dans la filière intégrée. Le four à coke émet ~15%, l'usine d'agglomération un peu plus de 10% et les autres procédés (convertisseur basique à oxygène, usine de bouletage) ~10% des émissions totales de CO2 (estimation propre, basée sur les données d'émissions de).
Il n'est toutefois pas facile d'attribuer les émissions à des processus spécifiques. Les gaz résiduels du four à coke et du haut fourneau sont récupérés pour fournir de la chaleur et également pour alimenter les centrales électriques sur site, dans un circuit hautement optimisé. L'élimination ou le remplacement des émissions de gaz résiduaires par d'autres procédés perturberait l'ensemble du processus de fabrication de l'acier.
La demande de chaleur dans la filière de recyclage est presque entièrement électrifiée. Un arc électrique à 1600oC fond directement la ferraille pour produire de l'acier liquide. À l'intensité moyenne actuelle de CO2 de l'électricité dans l'UE, la filière FEA émet 0,2 à 0,3 tCO2 par tonne d'acier, soit 80 % de moins que la filière intégrée.

Un potentiel d'amélioration limité

Les aciéries intégrées ont optimisé leurs flux de matières et d'énergie au fil des ans, et les plus performantes de l'UE fonctionnent déjà à des niveaux proches de l'optimum. On estime que la mise en œuvre d'autres améliorations progressives de l'efficacité et des meilleures pratiques ne permettrait de réduire les émissions de CO2 que d'environ 10 % (estimation propre, basée sur les données d'émissions de). Pour réaliser les ambitions de la Commission européenne, à savoir des émissions nettes de gaz à effet de serre nulles d'ici 2050, il faut envisager de nouvelles technologies de pointe, le CSC/U (captage et stockage/utilisation du carbone) et une augmentation de l'acier recyclé.

Scénarios de décarbonisation pour 2050

Pour explorer les voies possibles pour parvenir à une décarbonisation profonde du secteur d'ici à 2050, huit scénarios issus de quatre publications (figure 2) sont comparés. Alors que la demande d'énergie finale en 2050 diminue dans tous les scénarios, entre environ -10 % (ECF, captage du carbone) et -50 % (ECF, économie circulaire et ICF, Mix80 et Mix95), la demande d'acier varie largement, de -17 % (ECF, économie circulaire) à +10 % (ECF, nouveaux procédés et captage du carbone) par rapport à 2015.

Nouveaux procédés de fabrication de l'acier

Les nouvelles technologies de fabrication d'acier à l'hydrogène actuellement en cours de recherche visent à remplacer le gaz naturel utilisé dans la réduction directe du fer (DRI), un procédé existant, par de l'hydrogène vert (H-DRI). Si de l'électricité renouvelable est utilisée à la fois par l'usine d'hydrogène et par le FEA, qui transforme ensuite le fer en acier, ce procédé pourrait émettre jusqu'à 95 % de CO2 en moins que la filière intégrée actuelle. Quatre projets européens, HYBRIT, SALCOS, H2Future/SuSteel (qui étudie la réduction par fusion au plasma d'hydrogène) et ThyssenKrupp, développent l'ensemble de la chaîne de valeur de la sidérurgie à l'hydrogène ; le premier projet de démonstration ne devrait pas démarrer avant 2025.

L'électrolyse directe du minerai de fer, ou "electrowinning", pour produire de l'acier brut est développée par le projet SIDERWIN. En utilisant uniquement de l'électricité renouvelable, la production d'acier pourrait émettre jusqu'à 87 % de CO2 en moins que la filière intégrée actuelle. Ce procédé en est encore à un stade précoce de développement et n'a été éprouvé qu'à l'échelle du laboratoire.

D'ici 2050, la fabrication d'acier à l'hydrogène et l'extraction électrolytique sont déployées dans 7 des 8 scénarios, représentant jusqu'à 35 % (65 millions de tonnes) de la production totale d'acier (ECF, New Processes). En incluant la production d'hydrogène, la demande annuelle d'électricité du secteur pourrait être multipliée par trois par rapport à la demande actuelle, pour atteindre 360 TWh en 2050 (ECF, New Processes et EC, 1.5TECH). Cette quantité est équivalente à 35 % de la production actuelle d'électricité renouvelable de l'UE. D'autres défis majeurs seront la mise à l'échelle de l'infrastructure de l'hydrogène et les investissements nécessaires pour des conversions importantes de friches industrielles ou des déploiements sur des sites vierges.

Utilisation du captage et du stockage du carbone

Deux projets européens, Steelanol et Carbon2Chem, explorent la valorisation des gaz résiduels du haut fourneau pour produire du bioéthanol et des matières premières chimiques. Bien qu'à un stade de développement plus avancé - l'usine de démonstration Steelanol est actuellement en construction en Belgique - les réductions maximales d'émissions de ces procédés sont plus limitées (jusqu'à 65 % si elles sont pleinement déployées) et dépendront du fait que le carbone soit ou non libéré à nouveau en fin de vie des produits chimiques obtenus.

Les nouvelles technologies de fusion combinées au CSC, comme le procédé HIsarna, génèrent des gaz résiduels riches en CO2 qui facilitent le captage du carbone. Par rapport à la voie actuelle, les émissions pourraient être réduites jusqu'à 80 %. La mise en œuvre de ces technologies nécessiterait toutefois de profonds changements dans les procédés de fabrication de l'acier, d'une ampleur similaire à celle des technologies révolutionnaires de l'hydrogène ou de l'électrolyse.

Les technologies de captage du carbone sont largement déployées dans 2 des 8 scénarios de décarbonisation (AIE, B2DS et ECF, Captage du carbone), avec jusqu'à 30 % (54 millions de tonnes) de la production totale d'acier en 2050 provenant d'usines équipées de systèmes de captage et de stockage du carbone (ECF, Captage du carbone).

Augmentation de la part d'acier recyclé

D'ici 2050, dans 7 des 8 scénarios, la fabrication d'acier recyclé devient une voie plus importante, avec une augmentation de la production allant de +30% (91Mt) à +70% (118Mt) par rapport à 2018 (70Mt) (scénarios ECF, Capture du carbone et ICF, Mix95 respectivement). Cela correspond à une part de 50% à 77% de la production totale d'acier brut dans ces scénarios (contre 42% en 2018).

Les principaux défis à relever pour parvenir à une production plus élevée d'acier secondaire sont l'augmentation du taux de recyclage de l'acier (qui se situe déjà actuellement entre 70 % et 95 %, selon l'utilisation finale) et l'amélioration de la qualité de la ferraille. La ferraille recyclée est souvent contaminée par d'autres éléments de trappe, dont le cuivre est le plus important. La contamination par le cuivre limite l'utilisation de l'acier aux applications qui tolèrent un acier de moindre qualité, comme les barres d'armature dans la construction. Alors que le secteur de la construction a utilisé 34% (54Mt) de la demande totale d'acier fini en 2018, la demande d'acier de qualité supérieure (notamment dans le secteur automobile) devrait augmenter à un rythme plus rapide à l'avenir. La qualité des ferrailles peut être augmentée en aval, en améliorant le démantèlement et le tri des produits en fin de vie. En amont, des modifications de la conception visant à réduire l'utilisation du cuivre ou à faciliter le désassemblage des produits en fin de vie peuvent réduire la nécessité d'interventions en aval. Les responsables politiques de l'UE peuvent contribuer à relever ces défis en contrôlant et en renforçant l'impact des politiques visant à maximiser la réutilisation de la ferraille d'acier.