QUESTIONS ET RÉPONSES : Pourquoi les émissions de ciment sont importantes pour le changement climatique

Un constructeur dirige le béton humide d'un camion de ciment dans les fondations d'un grand bâtiment. Crédit : Peter Righteous/Alamy Stock Photo.

Publiée pour la première fois ici.

Si l'industrie du ciment était un pays, elle serait le troisième plus grand émetteur au monde.

En 2015, elle a généréenviron 2,8 milliards de tonnes de CO2, soit 8 % du total mondial - une part plus importante que dans tout autre pays que la Chine ou les États-Unis.

L'utilisation du ciment devrait augmenter à mesure que l'urbanisation mondiale et le développement économique accroissent la demande de nouveaux bâtiments et infrastructures. Comme d'autres secteurs de l'économie mondiale, l'industrie du ciment devra réduire considérablement ses émissions pour atteindre les objectifs de température de l'accord de Paris. Toutefois, seuls des progrès limités ont été réalisés jusqu'à présent.

Réduire les émissions du ciment. Infographie par RosamundPearce pour Carbon Brief.

Qu'est-ce que le ciment ?

Le ciment est utilisé dans la construction pour lier d'autres matériaux entre eux. Il est mélangé à du sable, du gravier et de l'eau pour produire dubéton, le matériau de construction le plus utilisé dans le monde. Plus de 10 milliards de tonnes de béton sont utiliséeschaque année.

La norme industrielle est un type deciment appelé ciment Portland. Il a été inventéau début des années 1800 et porte le nom d'une pierre de construction très utilisée en Angleterre à l'époque. Il est aujourd'hui utilisédans 98 % du béton dans le monde, avec 4 milliards de tonnes produites chaque année.

La production declinker Portland, qui sert de liant, est une étape cruciale dans la fabrication du ciment Portland. Le calcaire (CaCO3) est "calciné" à haute température dans un four à ciment pour produire de la chaux (CaO), ce qui entraîne la libération de CO2 résiduel. Dans l'ensemble, la réaction suivante se produit :

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Pourquoi le ciment émet-il autant de CO2 ?

Environ la moitié des émissions du ciment sont des émissions de processus résultant de la réaction ci-dessus. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles les émissions de ciment sont souvent considérées comme difficiles à réduire : comme ce CO2 est libéré par une réaction chimique, il ne peut pas être éliminé en changeant de combustible ou en augmentant le rendement.

Enoutre, 40 % des émissions de ciment proviennent de la combustion de combustibles fossiles pour chauffer les fours aux températures élevées nécessaires à ce processus de calcination. Les derniers 10 % des émissions proviennent des combustibles nécessaires à l'extraction et au transport des matières premières.

Les émissions de ciment dépendent donc en grande partie de la proportion de clinker utilisée dans chaque tonne de ciment. Le type de combustible et l'efficacité des équipements utilisés lors de la production de clinker ont également un impact.

En attendant, la surface au sol des bâtiments du monde entierdevrait doubler au cours des 40 prochaines années. Cela signifie que la production de ciment devrait atteindreenviron 5 milliards de tonnes d'ici 2030, soit une augmentation de 25 % par rapport à aujourd'hui, pour atteindre plus de quatre fois les niveaux de 1990.

Les gains d'efficacité ne suffiront donc pas à eux seuls à réduire de manière significative les émissions du secteur.

Quels pays ont des émissions de ciment élevées ?

La Chine est de loin le plus grand producteur de ciment, suivie de loin par l'Inde et les pays de l'UE réunis, comme le montre le graphique ci-dessous, tiré d'un récentrapport de Chatham House. Les trois quarts de la production de ciment depuis 1990 onteu lieu en Chine, qui a utilisé plus deciment entre 2011 et 2013 que les États-Unis durant tout le XXe siècle.

Production de ciment et émissions de 2010 à 2015. Source : Analyse d'Olivier et al. (2016) par ChathamHouse.

La Chine a également des niveaux élevés de production de ciment par habitant, car elle connaît uneurbanisation rapide, de nombreusespersonnes déménageant dans des immeubles de grande ou de petite hauteur en ciment. Cependant, la consommation chinoise pourraitêtre proche de la stabilisation.

En revanche, la consommation de l'Indedevrait augmenter de manière significative, car elle s'urbaniseet construit des infrastructures à son tour. L'essentiel de la croissance future devrait se produire en Inde et dans d'autres marchés émergents.

Homme soulevant un plateau avec du ciment sur un échafaudage, Pendjab, 2011. Crédit : imageBROKER/Alamy Stock Photo.

En Europe, les installations de fours existantes sont capables de répondre à la demande future de ciment, selon Chatham House. Les producteurs européens de ciment sont également parmi les plus avancés en termes d'utilisation de combustibles alternatifs, ajoute-t-il. Cependant, leséquipementsplus anciens les placent derrière l'Inde et la Chine en matière d'efficacité énergétique.

De même, les États-Unis, quatrième consommateur de ciment, sont à la traîne des autres grands producteurs en termes d'efficacité énergétique et de ratio de clinker.

Les émissions de ciment ont-elles été réduites ?

Selon Chatham House, l'intensité moyenne en CO2 de la production de ciment - les émissions par tonne de production - a diminué de 18 % au niveau mondial au cours des dernières décennies. Cependant,les émissions du secteur dans son ensemble ont augmenté de manière significative, la demande ayant triplé depuis 1990.

Les progrès réalisés jusqu'à présent concernent trois domaines principaux :

• Premièrement, des fours à ciment plus efficaces ont rendu la production moins gourmande en énergie. Cela peut encore s'améliorer : la consommation moyenne mondiale d'énergie par tonne de ciment est encore supérieure d'environ 20 % à la production avec les meilleures technologies et pratiques disponibles actuellement.
• Deuxièmement, l'utilisation de combustibles de substitution a également permis de réduire les émissions, par exemple en remplaçant le charbon par de la biomasse ou des déchets. C'est particulièrement le cas enEurope, où environ 43 % de la consommation de combustibles provient désormais de sources alternatives, indique Chatham House.
• Troisièmement, la réduction de la proportion de clinker Portland dans le ciment a également permis de réduire les émissions : les ciments "haut de gamme" peuvent réduire les émissions par kilogramme jusqu'à quatre fois, selon Chatham House. Le clinker peut être remplacé par d'autres matériaux semblables au ciment, y compris les déchets de la combustion du charbon et de la fabrication de l'acier. Cependant, cela peut affecter les propriétés du ciment, qui ne convient donc qu'à certaines utilisations finales.

Le ratio moyen mondial de clinker (clinker:ciment) est tombé à 0,65 en2014, avec une large fourchette allant de 0,57 en Chine à 0,87 en Eurasie.

Après plusieurs décennies de progrès, l'intensité en CO2 du ciment a peu changé de 2014 à 2016,selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE). Cela est dû au fait que les améliorations de l'efficacité énergétique ont été compensées par une légère augmentation du ratio de clinker, dit-elle.

Néanmoins, les émissions globales de ciment sont restées stables ou ont diminué ces dernières années, la demande en Chine s'étant stabilisée.

BioMason utilise des bactéries pour cultiver des briques de ciment qui, selon elle, peuvent séquestrer le carbone. Crédit : bioMASON, Inc.

Dans quelle mesure les émissions de ciment peuvent-elles être réduites ?

L'AIEet l'Initiative ciment pour le développement durable (CSI), menée par l'industrie, ontrécemment publié une nouvelle feuille de route pour un faible taux de carbone,montrant comment, selon elles, les émissions peuvent être réduites selon un scénario "2C" et un scénario "inférieur à 2C". La feuille de route suppose que la demande de ciment augmentera de 12 à 23 % d'ici 2050.

Pour un scénario "2C" - qui correspond à une probabilité de 50 % de limiter la hausse de la température mondiale à 2C au-dessus des niveaux préindustriels d'ici 2100 - la feuille de route indique qu'une réduction de 24 % des émissions de ciment est nécessaire. (Cela ne vaut rien si cela n'est pas conforme à l'accord de Paris, qui prévoit que la hausse des températures reste "bien en dessous" de 2C au minimum).

La feuille de route s'appuie sur quatre domaines d'action pour ces réductions d'émissions.

Trois d'entre eux sont les stratégies précédemment appliquées par l'industrie du ciment pour limiter les émissions, à savoir l'amélioration de l'efficacité énergétique, les combustibles à faible taux d'émission et la réduction des ratios de clinker.

Par exemple, la feuille de route fixe un objectif de ratio moyen mondial de clinker de 0,60 d'ici 2050, en baisse par rapport à 0,65. Il s'agit là d'un défi important : Chatham House note qu'il faudrait environ 40 % de plus de substituts du clinker d'ici 2050 qu'aujourd'hui, à un moment où la disponibilité des substituts traditionnels - cendres volantes et scories de hauts fourneaux - commencera probablement à diminuer.

Le quatrième domaine est celui des "technologies innovantes", c'est-à-dire essentiellement la réduction des émissions par le captage et le stockage du carbone(CSC). Ce procédé n'a pas encore été utilisé dans l'industrie du ciment (essais en bar), mais la feuille de route suppose que l'intégration du CSC dans le secteur du ciment atteindra l'échelle commerciale d'ici 2030. L'incertitudequant à la possibilité d'étendre rapidement le CSC et son coût élevé constituent desobstacles majeurs à son utilisation pour réduire les émissions de béton.

Le graphique ci-dessous présente l'analyse de Chatham House de la feuille de route de l'AIE et de CSI pour le ciment. La ligne pointillée rouge indique la réduction de 24 % des émissions conformément au scénario 2C (2DS) d'ici 2050.

Les moyens de réduire les émissions de ciment conduisant à une voie "compatible avec Paris". Trois scénarios sont présentés : "scénario de la technologie de référence" (RTS), "scénario 2C" (2DS) et "scénario au-delà de 2C" (B2DS). Source :analyse deChathamHouse de lafeuille de route technologique de l'AIE et du CSI(2018).

La feuille de route présente également un scénario "au-delà de 2C" (B2DS ; ligne pointillée violette ci-dessus), selon lequel une réduction des émissions beaucoup plus importante de 60 % serait nécessaire. Dans ce cas, la proportion des émissions totales de CO2 du ciment captées par le CSC devrait plus que doubler par rapport au scénario 2C, pour atteindre 63 % en 2050, selon la feuille de route. Elle note que cela "sera difficile à réaliser".

Chatham House note également que des réductions plus importantes seront nécessaires "si les hypothèses sur la contribution des technologies de CSC se révèlent optimistes". Il dit :

"Pour aller au-delà de la stratégie de développement durable, il faudra prendre des mesures pour remplacer le clinker, mettre au point de nouveaux ciments et mettre en œuvre le CSC, ainsi que déployer toute une série d'approches axées sur la demande au-delà du secteur pour réduire la consommation globale. Ces mesures seront d'autant plus importantes si le CSC s'avère trop difficile à mettre en œuvre".

Les "nouveaux" ciments peuvent-ils réduire les émissions ?

Certaines entreprises ont fait des recherches sur des ciments "nouveaux", qui permettent de se passer complètement du clinker Portland. S'ils pouvaient rivaliser avec le coût et les performances du ciment Portland, ils permettraient de réduire considérablement les émissions.

Toutefois, aucun n'a encore atteint une utilisation commerciale à grande échelle et ne sont actuellement utilisés que dans des applications de niche. En outre, l'innovation dans le secteur tend à se concentrer sur des changements progressifs, comme le montre une recherche mondiale de brevets effectuée par Chatham House, en se concentrant uniquement sur les nouveaux ciments.

Les ciments à base de géopolymères, par exemple, font l'objet de recherches depuis les années 1970. Ils n'utilisent pas de carbonate de calcium comme ingrédient clé, durcissent à température ambiante et ne libèrent que de l'eau. Zeobondet banahUK sontparmi les entreprises qui les produisent, et toutes deux affirment qu'elles ont réduit leurs émissions de 80 à 90 % par rapport au ciment Portland.

Plusieurs entreprises développent également des ciments "carbonés", qui absorbent le CO2 plutôt que l'eau lorsqu'ils durcissent. Si cette absorption de CO2 peut être rendue supérieure au CO2 libéré lors de leur production, les ciments pourraientpotentiellement être utilisés comme un puits de carbone.

Solidia Concrete™ bloc de cendres. Crédit : Solidia

L'entreprise américaine Solidia,par exemple, affirme que son béton émet jusqu'à 70% de CO2 en moins que le ciment Portland, y compris cette étape de séquestration. L'entreprise est maintenant en partenariat avec le grand producteur de ciment LafargeHolcim.

De même, la start-up britannique Novacem- une spin-off de l'Imperial College de Londres - a affirmé en 2008que le remplacement du ciment Portland par sonproduit"à teneur négative en carbone" permettrait à l'industrie de devenir un puits net d'émissions de CO2. Cependant, l'entreprise n'a pas réussi à réunir suffisamment de fonds pour poursuivre la recherche et la production.

D'autres entreprises utilisent des matériaux complètement différents pour fabriquer du ciment. La start-up Biomason, basée en Caroline du Nord,par exemple, utilise des bactéries pour faire pousser des briques de ciment qui, selon elle, ontune résistance similaire à la maçonnerie traditionnelle et à la séquestration du carbone.

Le tableau ci-dessous, tiré de Chatham House, résume les étapes de développement de plusieurs technologies alternatives de fabrication du ciment.

Ciments à faible teneur en carbone à différents stades du cycle d'innovation. Source : Chatham House (2018).

Quels sont les obstacles au ciment à faible teneur en carbone ?

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles les ciments à faible teneur en clinker ou les nouveaux ciments n'ont pas réussi jusqu'à présent à se généraliser.

Ces technologies sont moins éprouvées que le ciment Portland, qui est utilisé dans la construction depuis des siècles. Cela entraîne une résistance des consommateurs de ciment, en particulier dans un secteur qui - pour des raisons évidentes - a tendance à accorder une grande priorité à la sécurité. En outre, nombre de ces nouvelles technologies ne sont pas assez matures pour être utilisées à grande échelle.

Les solutions de remplacement ont également tendance à avoir des applications plus limitées, ce qui signifie qu'il n'existe peut-être pas de substitut unique au ciment Portland. Leur utilisation signifierait donc que l'on s'éloignerait des normes prescriptives. Actuellement, presque toutes les normes, les codes de conception et les protocoles d'essai des liants de ciment et du béton sont basés sur l'utilisation du ciment Portland, note Chatham House. Il ajoute :

"Les nouvelles approches et surtout les nouvelles normes industrielles nécessitent beaucoup de discussions et d'essais. Par exemple, il peut falloir des décennies pour qu'une nouvelle norme soit approuvée et mise en œuvre dans l'UE".

Toutefois, les progrès récents dans le domaine des essais de matériaux sur le béton pourraient permettre de mieux comprendre sa chimie, ce qui donnerait plus de confiance pour l'ajustement des normes industrielles.

Les ciments alternatifs doivent également être capables de concurrencer le ciment Portland en termes de coût, en particulier en l'absence de fortes pressions réglementaires ou politiques telles que les prix du carbone. Mais le changement pourrait nécessiter des investissements dans de nouveaux équipements ou des matériaux plus coûteux, qui pourraient prendre plusieurs années à récupérer, selon Chatham House.

L'accès à une quantité suffisante de matières premières nécessaires pour certains ciments est également une considération majeure. Par exemple, la disponibilité locale descendres volantes- un sous-produit de la combustion du charbon et l'un des substituts du clinker les plus utilisés - diminue avec la fermeture des centrales électriques au charbon.

La demande de ciment peut-elle être réduite ?

La réduction de la demande de ciment pourrait également contribuer à limiter les émissions, en particulier dans lespays en développement. Par exemple, Chatham House souligne que les aménagements urbains basés sur un système de "toile capillaire" et la marche plutôt que la voiture peuvent utiliser un tiers de béton en moins. De même, les principes des cathédrales gothiques ont été utilisés pour concevoir des sols modernes en béton qui sont 70 %plus légers que leurs homologues conventionnels.

L'utilisation de concepts d'"économie circulaire" pour permettre la réutilisation des éléments modulaires des bâtiments peut également jouer un rôle, tout comme la maximisation de la durée de vie des infrastructures. La Chine, par exemple, a fait l'objet decritiques pour avoir construit de nouveaux bâtiments de qualité inférieure qui ne peuvent tenir que 25 à 30 ans avant d'être démolis.

Des marches en béton faisant partie de la digue et des défenses maritimes sur la plage de Blackpool. Crédit : Manor Photography/Alamy Stock Photo.

Le béton des bâtiments pourrait également êtreremplacé par du bois, ce qui permettrait de capturer et de stocker le CO2. Certains nouveaux types de bois d'ingénierie, tels que le bois lamellé croisé, créent de nouvelles possibilités de construction. Cependant, les économies de carbone réalisées en utilisant le bois plutôt que l'acier et le béton dans les bâtiments ne sont pasgaranties.

Le vieux béton peut également être broyé et réutilisé dans des projets tels que les travaux routiers. Cependant, le béton perdra ses propriétés de liaison si l'on ne produit pas de nouveau clinker.

Les émissions de ciment sont-elles réglementées ?

Le ciment est souventconsidéré comme trop difficile à décarboniser, tout comme d'autres secteurs tels que l'aviation et l'acier. Comme l'a noté unrapport récent, si les émissions de ciment sont mentionnées dans le débat public, "c'est généralement pour constater que l'on ne peut pas faire grand-chose à leur sujet".

En conséquence, l'industrie du ciment a subi moins de pressions politiques et commerciales que le secteur de l'électricité, explique FelixPreston à Carbon Brief. Preston est chercheur principal à ChathamHouse et co-auteur de son rapport sur le ciment. Selon lui, le secteur est toujours dominé par une poignée de grandes entreprises qui contrôlent une grande partie du marché. Preston ajoute :

"[Ces entreprises] sont souvent dominantes ou très influentes dans une zone géographique, ainsi que sur la scène mondiale. Je pense que cela a rendu difficile - et c'est toujours le cas - de faire pression pour un changement radical. Elles ne voient pas nécessairement l'intérêt immédiat de prendre des mesures ambitieuses".

L'UE estime que le ciment présente un risque important de fuite de carbone, ce quisignifie qu'il reçoit des quotas gratuits dans le cadre du système communautaire d'échange de quotas d'émission (SCEQE). Dans la perspective desréformes du SCEQE de 2017, la commission de l'environnement du Parlement européen (ENVI) a proposésans succès de mettrefin à cette allocation gratuite. L'introduction deprix plancher pour le carbone -envisagée dans plusieurs États membres - pourrait encore affecter le secteur, selon Chatham House.

Le SCEQE chinois devrait s'étendre au ciment, bien qu'il ne couvre que le secteur de l'électricité dans sa première phase.

L'industrie du ciment prend-elle des mesures ?

Dans le cadre du CSI, des producteursreprésentant 30 % de la production mondiale de ciment travaillent ensemble depuis environ deux décennies sur des initiatives de durabilité, y compris la réduction des émissions. Lors de laconférence de Paris sur leclimat, le groupe a annoncé desplans visant à réduire ses émissions collectives de 20 à 25 % d'ici 2030. Ce niveau d'ambition serait similaire à celui du scénario "en dessous de 2C" décrit ci-dessus.

L'Association mondiale duciment (WCA), quant à elle, élabore un"Plan d'action contre le changementclimatique", qui devrait être publié dans le courant du mois. La technologie actuelle ne peut permettre que la moitié des économies de CO2 nécessaires pour atteindre l'objectif 2C de l'accord de Paris, a récemment averti l'AMC lors de son "Forum mondial sur le changement climatique" à Paris. La base des membres de l'AMC représente plus d'un milliard de tonnes de capacité de production annuelle de ciment.

L'Association mondiale du ciment et du béton(GCCA), récemment lancée, souhaite également améliorer les références environnementales du secteur. Elledevrait reprendre le travail de durabilité effectué par l'ICS en janvier 2019.

Plusieurs entreprises de ciment ont déjà introduit un prix interne du carbone, ou prévoient de le faire.

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À propos de l'auteur

Jocelyn Timperley est titulaire d'une maîtrise en chimie environnementale de l'université d'Édimbourg et d'un master en journalisme scientifique de la City University de Londres. Elle a travaillé auparavant chez BusinessGreen, où elle s'occupait des politiques à faible intensité de carbone et de l'économie verte.