La mécanique des céramiques : comment l'industrie peut se décarboniser

La mécanique des céramiques : comment l'industrie peut se décarboniser

Bien que les industries du monde entier aient tenté de passer à des méthodes plus durables, l'extraction annuelle mondiale de matériaux a triplé au cours des 50 dernières années. En Europe, l'industrie de la céramique a réduit de moitié sa consommation d'énergie au cours des 25 dernières années grâce à de nouvelles technologies de fabrication.

Selon la Commission européennel'industrie de la céramique en Europe fournit plus de 338 000 emplois et représente 27,8 milliards d'euros pour l'économie de l'UE. Bien qu'elles soient confrontées à des prix de l'énergie élevés et dépendent de matières premières provenant de producteurs non européens, les PME qui composent l'industrie peuvent réagir rapidement à l'évolution de la demande et aux nouvelles possibilités qui s'offrent à elles.

Professeur Ian M Reaney, titulaire de la chaire Dyson de céramique au département de science et d'ingénierie des matériaux de l'université de Sheffield, était récemment à Modène pour discuter des défis auxquels est confrontée l'industrie de la céramique, des nouvelles technologies susceptibles de réduire radicalement les émissions et de ses propres motivations pour aider l'industrie à innover.

En tant qu'expert en céramique, quels sont, selon vous, les principaux défis à relever dans le cadre de vos recherches ?

Ils sont multiples. La plupart des céramiques sont fabriquées à l'aide de brûleurs au méthane, ce qui entraîne d'importantes émissions de carbone liées à l'industrie traditionnelle de la céramique, des tuiles, de la poterie, etc. Il faut également relever le défi de créer des matériaux pour des applications durables, telles que les batteries, les piles à combustible, les condensateurs pour les véhicules électriques afin d'en améliorer les performances, etc. Ces matériaux doivent être améliorés afin que nous puissions contribuer à rendre le monde plus efficace dans son utilisation de l'énergie.

Vous avez prononcé un discours lors de la 9e conférence internationale du MSSM où vous avez abordé la question de la durabilité de la fabrication des céramiques. Quelles sont vos réflexions à ce sujet ?

Cette région d'Italie est très réputée pour la production de céramiques traditionnelles en grandes quantités. Ces usines existent parfois depuis des centaines d'années. En gros, elles utilisent les mêmes méthodes de fabrication depuis 30 ou 40 ans. Elles brûlent du méthane, qui est évidemment plus cher qu'auparavant, mais le pire, c'est qu'il émet énormément de CO2. Les températures sont très élevées, ce qui entraîne la combustion d'une grande quantité de gaz. Le frittage ou la densification de ces céramiques s'effectue à une température comprise entre 1 100 et 1 200 °C.

La création de processus de fabrication durables est donc un objectif important que nous devons vraiment atteindre dans les prochaines années.

Quelles sont les alternatives ?

Actuellement, en ce qui concerne la production en volume de céramiques - poteries, briques, tuiles, carreaux décoratifs - il y a très peu d'alternatives qui peuvent être mises en œuvre immédiatement.

Les fours sont énormes. Ils coûtent des millions et sont conçus pour fonctionner pendant 30 à 40 ans. Les dépenses d'équipement sont très élevées. Le problème, c'est qu'il est coûteux de s'en éloigner et que les technologies ne sont pas très claires à l'heure actuelle.

Il existe deux technologies concurrentes. La première consisterait à moderniser les systèmes pour brûler de l'hydrogène ou des mélanges de CH4/hydrogène, mais la technologie n'en est qu'à ses balbutiements. L'autre consiste à créer des fours électriques, mais ces fours électriques seront des fours tout neufs qui remplaceront ceux de l'usine. Les dépenses d'équipement sont donc extrêmement élevées. Il faut en tenir compte dans toute planification à long terme d'une entreprise qui souhaite s'engager sur la voie de l'électrification.

Le défi de la durabilité consiste donc à réduire la chaleur inutile.

En termes de durabilité, il y a deux choses. La production de céramique génère beaucoup de déchets. Les céramiques sont fragiles, des erreurs sont commises lors de la production et des défauts se forment. La première chose à faire est de minimiser les déchets. La seconde est de réutiliser les déchets produits. En réutilisant les déchets ou en ajoutant des éléments au processus, il est possible de réduire la température de densification [la température qui permet de fusionner les petites particules en une masse dense]. Mais c'est assez difficile dans un processus traditionnel et on ne peut atteindre que quelques dizaines de degrés. C'est bénéfique et nous devrions certainement le faire. Mais cela ne réduit pas massivement le carbone incorporé dans le produit. Cela le diminue et l'améliore, mais ce n'est pas une solution miracle.

Comment ces déchets sont-ils actuellement gérés ?

Bien gérés, nous pouvons recycler une grande quantité de déchets dans une usine de céramique. Toutes les [céramiques] précuites sont recyclées et les déchets cuits sont partiellement recyclés. Mais il y a aussi ce qu'on appelle la symbiose industrielle, qui permet de réutiliser ces déchets dans d'autres technologies. Le ciment/béton est une technologie très populaire parce que le ciment contient des particules, et ces particules peuvent être des morceaux de déchets cuits provenant d'autres filières de fabrication de céramiques.

Malheureusement, si vous vous rendez dans une usine de céramique, vous verrez les déchets stockés à côté de l'usine ou, dans le pire des cas, mis en décharge. Trouver les moyens de réaliser la symbiose industrielle est un défi de taille, que l'on s'efforce de relever. Mais cela prendra du temps.

Quel est le rôle de l'eau dans ces processus ?

L'eau est présente dans tout. L'eau est utilisée dans le cadre du processus de vitrage. On procède généralement à ce qu'on appelle une cascade de particules, dont la base est l'eau. L'eau est émise par l'argile elle-même, car c'est un minéral hydraté. L'eau est présente dans tous les processus.

Je dirais que l'endroit le plus évident où l'on voit de l'eau est pendant le processus de séchage par pulvérisation, qui donne cette granulation, ainsi que dans l'application de la glaçure et de ce que l'on appelle l'engobe, qui est le nom d'une couche de préglaçure.

L'un des projets mis en avant à la MSSM est le projet financé par l'UE iWAYS financé par l'UE, qui vise à renforcer les industries durables en introduisant des technologies capables de récupérer l'eau et l'énergie des gaz d'échappement industriels. Selon vous, quels sont les avantages de la technologie iWAYS pour l'industrie de la céramique ?

Les principaux objectifs du projet iWAYS sont la récupération de l'énergie par le biais de systèmes d'échange de conduites de chaleur et la récupération de l'eau. On peut donc imaginer que l'on puisse récupérer l'eau des processus et la réutiliser dans une granulation et tout au long du processus de fabrication de la céramique.

Les systèmes de récupération d'énergie mis au point par iWAYS et les projets précédents sont également importants. Les systèmes d'échange de chaleur basés sur la technologie des caloducs peuvent couvrir une gamme de températures exceptionnellement large. Ils peuvent donc fonctionner aussi bien à basse température, avec une chaleur de faible qualité qu'avec une chaleur de qualité supérieure. Ils peuvent permettre une récupération d'énergie significative et réinjecter de la chaleur dans la production, tout en réduisant la quantité totale d'énergie utilisée par le processus de fabrication.

Je pense qu'il y a deux aspects à cela. Le principal est probablement la récupération d'énergie, mais il faut aussi gérer l'eau et s'assurer de la recycler et de la réutiliser.

Selon vous, quelle est la meilleure action pour décarboniser l'industrie de la céramique ?

Il faut une réponse globale. Il faut se pencher sur l'efficacité des ressources, c'est-à-dire réutiliser autant de déchets que possible. Il faut s'intéresser à la réduction du carbone, aux matières premières et à l'éradication du calcaire, par exemple, dans les formulations.

Il faut envisager la récupération de l'énergie avec, peut-être, la technologie des caloducs pour résoudre les problèmes qui ne sont pas encore résolus. La réorientation de l'air chaud est couramment utilisée, mais les systèmes de canalisation de la chaleur sont beaucoup plus avancés que cela.

L'autre objectif est d'encourager les gouvernements à décarboniser le réseau. Mais nous ne pouvons pas attendre que ces mégaprojets d'hydrogène et d'électrification soient achevés. Nous devons commencer par les concepts d'efficacité des ressources et de l'énergie qui sont discutés dans iWAYS, par exemple. Nous devons commencer immédiatement, si ce n'est pas déjà le cas, car il est possible de faire des progrès considérables dans ce domaine en améliorant légèrement la décarbonisation grâce à l'efficacité des ressources. Ce sera la stratégie (d'atténuation du carbone) dominante pendant encore au moins dix ans avant que les mégaprojets d'hydrogène et d'électrification ne commencent à avoir un effet.

Comment avez-vous vu le secteur évoluer en Europe ?

Cela dépend de l'endroit où l'on se trouve en Europe, car une grande partie de l'industrie de la céramique est aujourd'hui délocalisée en Extrême-Orient. Je pense qu'il y a eu une évolution dans l'idée que nous voulons garder les emplois ici et contrôler le carbone incorporé plutôt que de simplement arrêter la production et permettre l'importation de produits à forte teneur en carbone incorporé depuis d'autres pays.

Je pense que les entreprises commencent à penser à la durabilité. Elle est en partie motivée par des initiatives gouvernementales, mais aussi par la prise de conscience de l'existence d'un marché pour les produits durables. En fin de compte, les gens veulent gagner de l'argent.

Les trois piliers de la durabilité sont l'économie, la société et l'environnement. Ces trois piliers sont indispensables. L'économie fait partie de la durabilité. Quel est l'intérêt d'avoir un produit net zéro parfaitement durable que personne n'achète ? Il y a une acceptation du fait qu'il s'agit d'une voie viable en tant que modèle d'entreprise. Je vois les choses évoluer, alors qu'auparavant on s'orientait vers une production à très bas coût ou vers le maintien de certains matériaux de haute qualité à une valeur très élevée, sans se soucier de l'importance du carbone incorporé. La plupart des entreprises disposent désormais d'une gamme complète de produits durables avec de meilleures références vertes, et elles doivent également montrer ces références vertes. Ces produits doivent être manifestement plus écologiques.

Pensez-vous que les entreprises sont de plus en plus conscientes de ces questions de durabilité dans l'industrie de la céramique ?

C'est la carotte et le bâton. Il y a le "bâton" du gouvernement ; nous ne pouvons pas continuer à brûler des combustibles fossiles, donc il y a des quotas de carbone imposés et d'autres choses comme ça. Et puis il y a la "carotte" - des choses comme le Green Deal européen, et il y a des choses similaires qui se passent au Royaume-Uni. Ces éléments fonctionnent en tandem - une approche d'encouragement par l'investissement et une approche de contrainte par la législation.

Retrouvez l'intégralité de l'entretien en vidéo : youtu.be/dTe08sh4P5A