Décarbonisation profonde de l'industrie : Le secteur du ciment

Décarbonisation profonde de l'industrie : Le secteur du ciment

A la une

• La combustion de combustibles fossiles pour répondre aux besoins de chauffage représente 35 % des émissions de CO2 du ciment. Les 65 % restants sont dus aux émissions directes des procédés, qui doivent également être prises en compte.
• L'utilisation de la biomasse dans l'industrie du ciment a triplé depuis 2007, et représente actuellement 16 % du mélange de combustibles.
• L'analyse des scénarios de décarbonisation publiés récemment par diverses sources le montre :
• Le rôle de la biomasse dans la décarbonisation du secteur d'ici 2050 est incertain en raison de l'augmentation de la demande concurrente des autres secteurs de l'économie.
• Le déploiement du captage et du stockage du carbone est inévitable pour la décarbonisation en profondeur en raison des émissions de processus inhérentes à la fabrication du ciment.

Recommandations

• Soutenir le développement de projets de démonstration à grande échelle de technologies de pointe, notamment l'électrification des fours, les technologies de capture du carbone et les nouveaux ciments.
• Soutenir le déploiement d'une infrastructure de CO2, y compris des réseaux de transport, le stockage du CO2 et la valorisation du CO2 par la symbiose industrielle.
• Renforcer les marchés publics écologiques et accélérer la mise à jour des normes de produits afin d'accroître la demande de matériaux de construction à faible teneur en carbone.

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Aperçu du secteur du ciment

Le ciment est le liant du béton, le matériau de construction le plus utilisé dans le monde. Le secteur du ciment est un important émetteur de gaz à effet de serre, responsable d'environ 7 % des émissions de CO2 dans le monde (1), et d'environ 4 % dans l'UE.

Alors que les émissions mondiales du secteur du ciment n'ont cessé d'augmenter, dans l'UE, les émissions ont atteint un pic en 2007 avec 170 Mt de CO2 et ont diminué de 40 % depuis lors pour atteindre 105 Mt de CO2 (2). Cela est principalement dû à la forte baisse de la production de ciment au cours des 15 dernières années, qui est passée d'un pic de 262 Mt en 2007 à 168 Mt en 2017, ce qui équivaut à une réduction du ciment par habitant de 0,5 à 0,3 tonne par personne (3). L'intensité en CO2 de la production de ciment au cours de cette période s'est améliorée d'environ 7% (0,6t de CO2 émis par tonne de ciment en 2017) (2).

D'ici 2050, la production de ciment dans l'UE devrait rester inférieure aux niveaux d'avant 2010, se situant entre 165 et 206 millions de tonnes dans les scénarios du modèle FORECAST (4), qui ont alimenté l'analyse de l'industrie de la vision stratégique à long terme de la Commission européenne (5).

Aperçu de la chaleur industrielle

Le clinker, et les substituts du clinker, sont les composants actifs qui confèrent au ciment ses propriétés de liaison. La production de clinker de ciment traditionnel est un processus extrêmement intensif en énergie et en CO2. Dans l'UE, 90 % du clinker est aujourd'hui produit par le procédé de fabrication du clinker sec, plus économe en énergie (2). Les anciens fours humides, moins efficaces, ont presque été supprimés. Dans le procédé sec plus avancé, les matières premières sont calcinées à environ 900-1250oC dans un précalcinateur pour transformer le calcaire en chaux, qui libère du CO2 comme produit secondaire. Les matières sont ensuite introduites dans un four rotatif, où elles s'agrégent pour former du clinker à 1450oC (et où la température de la flamme atteint 2000oC) (6). Le clinker est ensuite refroidi, broyé et mélangé à d'autres matériaux pour fabriquer du ciment.

La combustion de combustibles pour chauffer les fours à ciment est responsable de 35 % de l'empreinte carbone du clinker. Les 65 % restants sont des émissions de procédé, libérées lors de la réaction de calcination intervenant dans la production du clinker.

Options de décarbonisation

Biomasse

Actuellement, les combustibles utilisés pour fournir la chaleur industrielle nécessaire sont un mélange de combustibles fossiles (principalement le coke de pétrole, le charbon et le pétrole), de combustibles résiduaires et de biomasse. Bien que l'utilisation de la biomasse ait triplé depuis 2007, elle ne représente actuellement que 16 % de l'ensemble des combustibles utilisés dans l'UE (figure 1).

Le cotraitement des combustibles (utilisation de combustibles de substitution, tels que les déchets et la biomasse) représente actuellement près de la moitié de tous les combustibles utilisés dans l'industrie du ciment de l'UE, certaines cimenteries atteignant occasionnellement des taux de substitution de 100 % (6). Il existe cependant des différences considérables entre les États membres, allant de 6 % (Grèce) à 65 % (Allemagne) de taux de co-processing moyens nationaux (7).

Alors que les combustibles de substitution pourraient fournir 100 % de l'énergie thermique, le remplacement complet des combustibles fossiles par une biomasse réellement durable est techniquement difficile en raison du pouvoir calorifique inférieur de la plupart des matières organiques (8). En outre, d'ici 2050, les demandes concurrentes de biomasse provenant d'autres secteurs de l'économie limiteront sa disponibilité pour la production de ciment. Les scénarios de décarbonisation profonde issus de la vision stratégique à long terme de la Commission européenne indiquent qu'au moins la moitié de la biomasse disponible est utilisée pour le secteur de l'électricité.

Électrification de la chaleur

L'utilisation de l'électricité pour fournir de la chaleur industrielle pourrait contribuer à la décarbonisation du secteur, si l'électricité est exempte de tout combustible fossile. L'industrie du ciment explore plusieurs technologies pour électrifier la production de ciment, notamment la production de chaleur par des générateurs à plasma et l'énergie des micro-ondes, qui doivent encore être développées en dehors du laboratoire (TRL 3). La construction d'une usine pilote utilisant la technologie du plasma est actuellement à l'étude (9).

Un avantage possible important des systèmes de chauffage électrifiés est la concentration beaucoup plus élevée de CO2 dans les gaz de combustion qu'avec le chauffage par combustion, passant d'une concentration estimée de 25 % de CO2 à près de 100 % (10). Cela permettrait un captage et une purification plus faciles du CO2 provenant des émissions de processus.

L'hydrogène pour la chaleur

La combustion de l'hydrogène comme combustible peut atteindre les températures élevées requises dans le processus de fabrication du ciment, mais n'a pas encore été testée. Comme la combustion de l'hydrogène et le transfert de chaleur (par rayonnement) dans le four seraient très différents des combustibles actuellement utilisés, des recherches approfondies sur les modifications à apporter aux fours à ciment seraient nécessaires (11). La production de ciment à partir d'un mélange d'hydrogène et de combustibles issus de la biomasse en est actuellement à un stade précoce d'investigation (TRL 2).

Captage du carbone

Pour décarboniser totalement le secteur, il faut s'attaquer aux émissions de processus liées à la fabrication du clinker, quelle que soit la source de chaleur. Une partie de la solution devra être le captage du CO2 - appliqué à la fois à la combustion et aux émissions de procédé, ou la combinaison d'une source de chaleur sans CO2 avec le captage des émissions de procédé concentrées.

Plusieurs technologies de pointe sont actuellement à l'étude dans l'UE, qui se situent toutes au niveau TRL 6 : (i) les technologies de post-combustion qui séparent le CO2 des gaz de combustion ; (ii) la combustion d'oxyfuel, où le combustible est brûlé dans de l'oxygène plutôt que dans de l'air, ce qui permet d'obtenir une concentration beaucoup plus élevée de CO2 dans les gaz de combustion ; (iii) le bouclage du calcium, qui peut être intégré dans la cimenterie ou utilisé comme technologie de queue ; (iv) et la technologie de séparation directe, appliquée en combinaison avec un processus de chaleur sans CO2. Le choix des technologies dépendra de leur compétitivité technico-économique, et variera en fonction de la disponibilité de l'électricité renouvelable et de la récupération et de l'intégration de la chaleur résiduelle (12).

Stockage et utilisation du CO2

Au-delà de la mise en œuvre de technologies de captage du carbone pour traiter les émissions des procédés et les éventuelles émissions restantes dues à la combustion de combustibles, il faut développer l'infrastructure nécessaire pour transporter, stocker ou utiliser le CO2. Comme le potentiel de valorisation du CO2 est limité par la demande du marché des produits qui en résultent (13), et compte tenu de la quantité de dioxyde de carbone émise par la fabrication du ciment (106Mt en 2016), le stockage du CO2 sera probablement une voie inévitable pour parvenir à une décarbonisation profonde.

Ciments à faible teneur en carbone

Le rapport moyen entre le clinker et le ciment dans l'UE en 2017 était de 75 % (2). Les normes européennes distinguent cinq grandes catégories de ciments en fonction de leur composition en clinker. Les ciments les plus utilisés, les ciments Portland et Portland-composites, ont des teneurs en clinker supérieures à 95 % et 65 % respectivement. Le clinker peut être partiellement remplacé par des matériaux cimentaires dits supplémentaires, tels que les cendres volantes des centrales électriques au charbon et le laitier de haut fourneau provenant de la sidérurgie. Grâce à la réduction du taux de clinker, la combustion du clinker nécessite moins d'énergie et permet d'éviter certaines des émissions de processus inhérentes à la fabrication du clinker. En fonction des voies de décarbonisation suivies par les secteurs de l'électricité et de l'acier, ces matières premières alternatives seront toutefois moins disponibles à l'avenir.

De nombreuses recherches sont en cours sur les clinkers alternatifs qui émettent moins de CO2 que le ciment Portland. Certains sont déjà disponibles sur le marché (mais avec des applications limitées), tandis qu'un certain nombre d'autres concepts sont en cours de recherche et développement (14) ; toutefois, des obstacles du côté de l'offre (par exemple, la disponibilité et le coût des matières premières) et de la demande (par exemple, les restrictions dans les normes du béton) limitent leur application et leur diffusion.

L'industrie du ciment dans les scénarios de décarbonisation de 2050

Pour explorer les différentes voies permettant de parvenir à une décarbonisation profonde du secteur d'ici 2050, les options de décarbonisation sont comparées dans huit scénarios tirés de quatre publications (voir figure 2). Les scénarios PRIMES et FORECAST qui ont alimenté la vision stratégique à long terme de la Commission européenne considèrent conjointement l'ensemble du secteur des minéraux non métalliques (ciment, céramique, verre et chaux). La production de ciment représente 40 % de la demande énergétique finale du secteur des minéraux non métalliques et 60 % de ses émissions de CO2.

Biomasse

Dans les scénarios examinés, l'utilisation de la biomasse pour la production de ciment d'ici 2050 varie fortement. Une filière entièrement électrifiée pourrait renoncer à l'utilisation de la biomasse d'ici 2050 (ECF, nouveaux procédés), tandis que dans d'autres filières, on déploie jusqu'à 4 fois plus de biomasse qu'en 2015 (EC, 1,5TECH). Les émissions négatives sont incluses dans certains scénarios qui combinent l'utilisation durable de la biomasse et le captage du CO2 provenant de sources biogènes (AIE, B2DS). Dans plusieurs scénarios, un passage précoce à la biomasse permet de réduire rapidement les émissions avant que d'autres technologies de pointe ne soient déployées (l'utilisation de la biomasse double de 2015 à 2030 dans le cadre de l'ICF, du CSC et de Mix95).

Électrification

L'utilisation de l'électricité augmente dans 7 des 8 scénarios sélectionnés. Les scénarios qui déploient des technologies de capture du carbone mais peu de chaleur électrifiée voient peu (ou pas) d'augmentation de la demande d'électricité, avec une part restante plus importante de combustibles fossiles (ICF, CCS ; ICF, CCS ; AIE, B2DS). Dans un scénario où la production de ciment est entièrement électrifiée, la demande d'électricité renouvelable est jusqu'à 6 fois supérieure à la demande d'électricité de 2015 (ECF, nouveaux procédés).

Hydrogène

Le rôle de l'hydrogène varie considérablement selon les scénarios, allant d'une absence de déploiement dans le bouquet énergétique final jusqu'à un tiers de la demande énergétique dans les scénarios couvrant l'ensemble du secteur des minéraux non métalliques (ICF, Mix95 ; CE, 1.5LIFE et 1.5TECH).

Captage du carbone

Tous les scénarios sélectionnés pour parvenir à une décarbonisation profonde du secteur du ciment incluent les technologies de capture du carbone, qui sont considérées comme la technologie la plus importante pour réduire les émissions des procédés, ainsi que les émissions provenant de la chaleur industrielle lorsque celles-ci sont encore présentes. D'ici 2050, dans plusieurs scénarios, plus de 90 % des cimenteries intègrent le captage du carbone (ICF, CCS et Mix95), avec jusqu'à 120 Mt de CO2 capturées (ICF, CCS). Lorsque cela est spécifié, la technologie de capture du carbone déployée varie en fonction de la voie de décarbonisation, avec jusqu'à 100 % des fours à ciment équipés d'une capture du carbone en postcombustion dans un scénario entièrement électrifié (ECF, Nouveaux procédés), ou 90 % des fours équipés de la technologie des oxy-combustibles en combinaison avec des combustibles fossiles (ECF, CCS).

Ciments à faible teneur en carbone

Des substituts du clinker et/ou de nouveaux ciments sont déployés pour réduire les émissions de CO2 du secteur à des degrés divers dans les scénarios. Bien qu'ils ne soient pas explicitement spécifiés dans tous les cas, des matériaux cimentaires supplémentaires sont inclus dans tous les scénarios et pourraient remplacer jusqu'à 40 % du clinker de ciment en 2050 (scénarios ECF, contre 26 % aujourd'hui). Les nouveaux types de ciment à faible teneur en carbone ne sont pas du tout inclus (CSC ICF et B2DS de l'AIE) ou dans une mesure très limitée (substitution de 5 % dans les scénarios ECF) dans certains scénarios. Un scénario prévoit le déploiement de nouveaux ciments pour remplacer 50 % de la production totale de ciment d'ici 2050 (83 Mt sur 166 Mt dans les ICF, Mix95).

Économie circulaire et efficacité des matériaux

Certains scénarios (ICF, Mix95 et ECF, Circular Economy) reposent sur une utilisation plus efficace du ciment et du béton. Plusieurs options sont proposées, notamment l'optimisation de la conception des structures et des spécifications du béton, la conception des infrastructures pour permettre le démontage et la réutilisation/recyclage du béton, ou le remplacement du béton par des matériaux sans CO2 tels que le bois (substitution jusqu'à 5 % dans les scénarios ECF). Sans remplacer la nécessité du piégeage du carbone dans ces scénarios, ces options de décarbonisation pourraient alléger le déploiement des technologies de piégeage du carbone et les coûts associés. La numérisation est mentionnée comme pouvant jouer un rôle important dans l'optimisation de la conception et de l'utilisation des options à faible émission de CO2 dans la construction (15). Toutefois, pour exploiter pleinement ces potentiels d'efficacité matérielle, il faudrait modifier considérablement les normes et les procédés de construction existants.

Références

1. Agence internationale de l'énergie. Feuille de route technologique - Transition vers une production à faible intensité de carbone dans l'industrie du ciment. 2018.

2. WBSCD. Projet "Getting the numbers right" (GNR). www.wbcsdcement.org/GNR-2016/index.html.

3. Eurostat. Évolution de la population - Équilibre démographique et taux bruts au niveau national [demo_gind].

4. ICF & Fraunhofer ISI. Innovation industrielle : Voies vers une décarbonisation profonde de l'industrie. Deuxième partie. 2018.

5. Commission européenne. Analyse approfondie à l'appui de la communication de la Commission COM(2018) 773. 2018.

6. Centre commun de recherche. Référence des meilleures techniques disponibles (MTD). Commission européenne, 2013.

7. Ecofys. Débouchés commerciaux pour l'utilisation de combustibles de substitution dans les cimenteries de l'UE. 2016.

8. Murray, A et Price, L. Use of Alternative Fuels in Cement Manufacture : Analysis of Fuel Characteristics and Feasibility for Use in the Chinese Cement Sector (Analyse des caractéristiques des combustibles et de la faisabilité de leur utilisation dans le secteur chinois du ciment). Berkeley National Laboratory, 2008.

9. Vattenfall. Communiqué de presse - Vattenfall et Cementa franchissent une nouvelle étape vers un ciment climatiquement neutre. Janvier 2019. group.vattenfall.com/press-and-media/news--pressreleases/pressreleases/2019/vattenfall-and-cementa-take-thenextstep-towards-a-climate-neutral-cement.

10. CemZero - A Feasibility Study Evaluating Ways to Reach Sustainable Cement Production via the Use of Electricity. Vattenfall et Cementa, 2018.

11. Hoenig, Volker, Hoppe, Helmut et Emberger, Bernhard. Rapport technique : Technologie de capture du carbone - Options et potentiels pour l'industrie du ciment. ECRA, 2007.

12. Vatopoulos, Konstantinos et Tzimas, Evangelos. Évaluation des technologies de capture du CO2 dans le processus de fabrication du ciment. Journal of Cleaner Production, vol. 32, 2012.

13. Pérez-Fortes , Mar, et al, et al, Synthèse du méthanol en utilisant le CO2 capturé comme matière première : Évaluation technico-économique et environnementale. Applied Energy, Vol. 161, 2016.

14. Gartner, Ellis et Sui, Tongbo. Clinkers de ciment alternatifs. Cement and Concrete Research, Vol. 114, 2018.

15. Lehne, Johanna et Preston, Felix. Making Concrete Change - Innovation in Low-carbon Cement and Concrete. Londres, Chatham House, 2018.

16. L'économie des matériaux. Transformation industrielle 2050 - Voies vers des émissions nettes zéro de l'industrie lourde de l'UE. 2019.

17. Agence internationale de l'énergie (AIE). Perspectives des technologies énergétiques 2017 : Catalyser les transformations des technologies énergétiques. 2017.

Contact :

Julian.somers(at)ec.europa.eu

Jose.moya(at)ec.europa.eu

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