Les solutions pour fabriquer un acier plus vert

Le 11 octobre der­nier, la loi indus­trie verte est adop­tée. Elle vise notam­ment à décar­bo­ner les indus­tries exis­tantes. Un enjeu de taille : en France, l’industrie repré­sente 18,1 % des émis­sions de gaz à effet de serre (GES) en 2022¹. La sidé­rur­gie – l’industrie du fer et de l’acier – est l’un des sec­teurs les plus impor­tants à décar­bo­ner. En France, il est le 4^ème sec­teur indus­triel le plus émet­teur de GES (20 % des GES de l’industrie, soit 4 % des émis­sions totales du pays). Mais à l’échelle mon­diale, le sec­teur se hisse en pre­mière place : envi­ron 2,8 mil­liards de tonnes de CO₂ sont émises chaque année pour la pro­duc­tion d’acier, soit 7 % des émis­sions glo­bales de GES². Or, la demande explose. L’acier et le fer sont indis­pen­sables à la construc­tion, la mobi­li­té ou encore la pro­duc­tion d’énergie renou­ve­lable – une éolienne est com­po­sée de plus de deux tiers d’acier ! À l’échelle mon­diale, les besoins pour­raient aug­men­ter de plus d’un tiers d’ici 2050 d’après les pro­jec­tions de l’Agence inter­na­tio­nale de l’énergie (AIE)³.

Fabri­quer de l’acier néces­site d’importantes quan­ti­tés d’énergie : la fonte atteint par exemple 1 500 °C au sein du haut four­neau. Or, en 2019, les trois quarts de l’énergie consom­mée par le sec­teur étaient four­nis par le char­bon. À ce jour, le recy­clage au sein de la filière élec­trique est la voie la plus décar­bo­née. Elle ne requiert qu’un hui­tième de l’énergie de l’acier pro­duit à par­tir de mine­rai, et prin­ci­pa­le­ment sous forme d’électricité plu­tôt que de char­bon. « Il faut aug­men­ter la frac­tion recy­clée, mais cette filière est limi­tée par la res­source : une grande par­tie de l’acier est, par exemple, immo­bi­li­sée pour des décen­nies dans les bâti­ments », explique Fabrice Patisson.

À court terme, l’économie cir­cu­laire est le levier le plus pro­met­teur. Les inno­va­tions tech­no­lo­giques de décar­bo­na­tion reposent sur un renou­vel­le­ment du parc de pro­duc­tion, dont la moyenne d’âge mon­diale s’élève à 13 ans, soit moins d’un tiers de la durée de vie clas­sique. Dans son scé­na­rio pros­pec­tif visant une réduc­tion de 50 % des émis­sions du sec­teur en 2050, l’AIE sou­ligne que 40 % des réduc­tions cumu­lées d’émissions de GES entre 2020 et 2050 reposent sur l’économie cir­cu­laire. En clair, c’est le levier de la sobrié­té : en rédui­sant la demande, les émis­sions sont dimi­nuées. Cela passe prin­ci­pa­le­ment par un allon­ge­ment de la durée de vie des bâti­ments, mais aus­si par l’amélioration des ren­de­ments de fabri­ca­tion, la réduc­tion de l’utilisation des voi­tures et leur allè­ge­ment, l’amélioration de la concep­tion des bâti­ments ou encore la réuti­li­sa­tion de l’acier.

En paral­lèle, un panel d’options d’atténuation existe. Impos­sible de répondre aux besoins en hausse sans pro­duire d’acier pri­maire. Quel est l’un des leviers majeurs pour décar­bo­ner sa pro­duc­tion ? Se pas­ser de char­bon. Les impor­tantes émis­sions de GES de la sidé­rur­gie s’expliquent en majeure par­tie par la for­ma­tion de CO₂ au sein des hauts four­neaux par réac­tion chi­mique, et les hautes tem­pé­ra­tures requises. Le fer « vert » serait pro­duit grâce à la réduc­tion directe du mine­rai de fer par élec­tri­ci­té ou hydro­gène vert (H₂), au lieu du coke. Il peut ensuite être inté­gré dans la filière élec­trique habi­tuelle et être trans­for­mé en acier dans un four à arc élec­trique. Cette voie tech­no­lo­gique est dite « d’évitement direct du car­bone ». « À ce jour, le pro­cé­dé de réduc­tion directe est connu et répan­du – cela repré­sente envi­ron 7 % de l’acier mon­dial – mais il repose sur l’utilisation de syn­gaz (un gaz de syn­thèse issu de gaz natu­rel) qui contient envi­ron 60 % de H₂, détaille Fabrice Patis­son. Le plus gros chal­lenge est de pas­ser à 100 % de H₂ à l’échelle indus­trielle. »

La voie hydro­gène est la plus avan­cée : par­mi les 60 pro­jets de décar­bo­na­tion de l’acier recen­sés en Europe en novembre 2022, 42 reposent sur l’utilisation d’hydrogène⁵. En Suède, le pro­jet pilote Hybrit pro­duit depuis 2021 les pre­mières tonnes d’acier au monde grâce à ce pro­cé­dé. Il pour­rait per­mettre de réduire les émis­sions de CO₂ de 85 %⁶. « Désor­mais, le déve­lop­pe­ment de la filière repose sur la volon­té et la capa­ci­té d’investissement des sidé­rur­gistes », estime Fabrice Patis­son. Quant aux besoins en élec­tri­ci­té – si l’hydrogène est pro­duit par élec­tro­lyse de l’eau, ils s’élèveraient à 370 TWh pour décar­bo­ner l’ensemble de la pro­duc­tion pri­maire d’acier de l’UE⁷, soit 14 % de la pro­duc­tion totale actuelle d’électricité⁸.

Une autre voie tech­no­lo­gique – com­plé­men­taire à la voie d’évitement du car­bone – existe : celle « d’utilisation intel­li­gente du car­bone ». Cela passe en pre­mier lieu par une opti­mi­sa­tion des pro­cé­dés de pro­duc­tion exis­tants. Même si la filière maî­trise les hauts four­neaux, des amé­lio­ra­tions res­tent pos­sibles. Il a par exemple été mon­tré que plus de la moi­tié de l’énergie ache­tée par les sidé­rur­gistes était per­due au cours du pro­cé­dé⁹. Uti­li­ser les meilleures tech­no­lo­gies dis­po­nibles et opti­mi­ser les pro­cé­dés pour­raient per­mettre de réduire les émis­sions cumu­lées du sec­teur de 21 % entre 2020 et 2050 à l’échelle mon­diale, d’après le scé­na­rio pros­pec­tif de l’AIE visant à réduire de 50 % les émis­sions du sec­teur d’ici 2050. Cela passe par le déploie­ment de sys­tèmes de récu­pé­ra­tion de cha­leur, amé­lio­rer la qua­li­té du coke, rem­pla­cer par­tiel­le­ment le char­bon par du gaz natu­rel ou des bio­éner­gies ou encore implé­men­ter des outils de main­te­nance prédictive.

La cap­ture et le sto­ckage du car­bone sont une option inté­res­sante à court terme, avant que les tech­no­lo­gies propres – comme l’hydrogène – soient déployées.

Uti­li­ser intel­li­gem­ment le car­bone passe aus­si par sa valo­ri­sa­tion. Comme dans de nom­breux sec­teurs indus­triels, la cap­ture et la valo­ri­sa­tion ou le sto­ckage du CO₂ sont consi­dé­rés comme indis­pen­sables pour réus­sir la tran­si­tion d’ici 2050. Pour l’AIE, elle pour­rait per­mettre de cap­ter 6 % des émis­sions géné­rées de 2020 à 2050, avec un taux attei­gnant 25 % de cap­ture par an en 2050. Seule une uni­té com­mer­ciale sto­ckant le CO₂ existe actuel­le­ment dans le monde, aux Émi­rats Arabes Unis. Quelques pro­jets de valo­ri­sa­tion sont en cours de déve­lop­pe­ment. « La cap­ture du CO₂ est plus facile dans l’industrie sidé­rur­gique que dans d’autres, com­plète Fabrice Patis­son. La cap­ture et le sto­ckage sont une option inté­res­sante à court terme, avant que les tech­no­lo­gies propres – comme l’hydrogène – soient déployées. »

Enfin, l’UE et la France sont enga­gées dans une poli­tique de relo­ca­li­sa­tion de l’activité indus­trielle. Exit les émis­sions liées au trans­port des pro­duits. Le mix éner­gé­tique fran­çais, à l’empreinte car­bone rela­ti­ve­ment faible, est éga­le­ment un avan­tage en termes d’émissions de GES. «  En mutua­li­sant les ser­vices, la chaîne logis­tique, l’énergie et les matières pre­mières, les impacts envi­ron­ne­men­taux et les coûts sont mini­mi­sés. » Il est pos­sible de dimi­nuer les émis­sions de GES jusqu’à 75% si l’on com­pare au même parc sans coopé­ra­tion¹⁰. Le site d’ArcelorMittal de Dun­kerque est un exemple en la matière : le lai­tier – un copro­duit des hauts four­neaux – est valo­ri­sé en maté­riau de construc­tion et la cha­leur fatale est injec­tée sur le réseau muni­ci­pal de chauf­fage de Dun­kerque¹¹. Deux nou­veaux réac­teurs nucléaires EPR doivent y être implan­tés, ain­si qu’une uni­té de pro­duc­tion d’hydrogène vert, qui pour­ra ali­men­ter la future uni­té de réduc­tion directe du mine­rai par hydro­gène d’ArcelorMittal¹². « Inté­grer le vec­teur hydro­gène dans les éco­parcs per­met de rendre la filière ren­table, éco­no­mi­que­ment mais aus­si pour l’environnement, conclut Marianne Boix. C’est une oppor­tu­ni­té très inté­res­sante dans ce contexte. »

Anaïs Marechal