Idans la ville de Woburn, Massachusetts, une banlieue juste au nord de Boston, un groupe d’ingénieurs et de scientifiques en blouse blanche inspectent une pile ordonnée de lingots d’acier gris bronze de la taille d’une brique sur un bureau dans un laboratoire éclairé au néon.
Ce qu’ils regardaient, c’était un lot d’acier créé à l’aide d’une méthode de fabrication innovante, une méthode dont Boston Metal, une entreprise issue du MIT il y a dix ans, espère qu’elle modifiera radicalement la façon dont l’alliage est fabriqué depuis des siècles. En utilisant l’électricité pour séparer le fer de son minerai, l’entreprise affirme pouvoir fabriquer de l’acier sans émettre de dioxyde de carbone, offrant ainsi la possibilité d’assainir l’une des pires industries au monde en matière d’émissions de gaz à effet de serre.
L’acier est l’un des matériaux industriels les plus populaires au monde, avec une production annuelle de plus de 2 milliards de tonnes. Cette abondance a toutefois un prix élevé pour l’environnement. La sidérurgie est responsable de 7 à 11 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, ce qui en fait l’une des principales sources industrielles de pollution atmosphérique. Et comme la production pourrait augmenter d’un tiers d’ici 2050, cette charge environnementale pourrait s’accroître.
Cela représente un défi important pour la lutte contre la crise climatique. Selon les Nations unies, il est essentiel de réduire considérablement les émissions industrielles de carbone pour maintenir le réchauffement de la planète sous la barre des 1,5 degré Celsius fixée par l’accord de Paris sur le climat de 2015. Pour y parvenir, les émissions de l’acier et d’autres industries lourdes devront diminuer de 93 % d’ici à 2050, selon les estimations de l’Agence internationale de l’énergie.
Face à la pression croissante des gouvernements et des investisseurs pour réduire les émissions, un certain nombre de sidérurgistes, qu’il s’agisse de grands producteurs ou de jeunes entreprises, expérimentent des technologies à faible émission de carbone qui utilisent l’hydrogène ou l’électricité au lieu de la fabrication traditionnelle à forte intensité de carbone. Certains de ces efforts sont proches de la réalité commerciale.
“Nous parlons d’une industrie à forte intensité de capital et peu encline au risque, où les perturbations sont extrêmement rares”, a déclaré Chris Bataille, économiste de l’énergie à l’IDDRI, un groupe de réflexion basé à Paris. C’est pourquoi, a-t-il ajouté, “il est passionnant” que tant de choses se passent en même temps.
Pourtant, les experts s’accordent à dire que la transformation d’une industrie mondiale qui a réalisé un chiffre d’affaires de 2 500 milliards de dollars en 2017 et emploie plus de 6 millions de personnes demandera des efforts énormes. Au-delà des obstacles pratiques à la mise à l’échelle de nouveaux processus à temps pour atteindre les objectifs climatiques mondiaux, il y a des préoccupations concernant la Chine, où plus de la moitié de l’acier mondial est fabriqué et dont les plans pour décarboniser le secteur de l’acier restent vagues.
“Ce n’est certainement pas une solution facile de décarboniser une industrie comme celle-ci”, a déclaré Bataille. “Mais il n’y a pas le choix. L’avenir du secteur – et celui de notre climat – dépend justement de cela.”
Ma sidérurgie moderne implique plusieurs étapes de production. Le plus souvent, le minerai de fer est broyé et transformé en frittes (un solide brut) ou en boulettes. Séparément, le charbon est cuit et transformé en coke. Le minerai et le coke sont ensuite mélangés à du calcaire et introduits dans un grand haut fourneau où un flux d’air extrêmement chaud est introduit par le bas. Sous l’effet des hautes températures, le coke brûle et le mélange produit du fer liquide, appelé fonte brute ou fonte de haut fourneau. Le matériau fondu passe ensuite dans un four à oxygène, où il est soufflé avec de l’oxygène pur à travers une lance refroidie à l’eau, ce qui élimine le carbone pour laisser l’acier brut comme produit final.
Cette méthode, brevetée pour la première fois par l’ingénieur anglais Henry Bessemer dans les années 1850, produit des émissions de dioxyde de carbone de différentes manières. Tout d’abord, les réactions chimiques dans le haut fourneau entraînent des émissions, car le carbone emprisonné dans le coke et le calcaire se lie à l’oxygène de l’air pour créer du dioxyde de carbone comme sous-produit. En outre, les combustibles fossiles sont généralement brûlés pour chauffer le haut fourneau et alimenter les usines de frittage et de granulation, ainsi que les fours à coke, ce qui entraîne des émissions de dioxyde de carbone.
Pas moins de 70 % de l’acier mondial est produit de cette manière, générant près de deux tonnes de dioxyde de carbone pour chaque tonne d’acier produite. Les 30 % restants sont presque tous fabriqués dans des fours à arc électrique, qui utilisent un courant électrique pour faire fondre l’acier – en grande partie de la ferraille recyclée – et produisent beaucoup moins de CO2 que les hauts fourneaux.
Mais en raison de l’offre limitée de ferraille, toute la demande future ne pourra pas être satisfaite de cette manière, a déclaré Jeffrey Rissman, directeur du programme industriel et responsable de la modélisation au sein de l’entreprise Energy Innovation, basée à San Francisco, spécialisée dans les politiques énergétiques et climatiques. Avec les bonnes politiques en place, le recyclage pourrait répondre à 45 % de la demande mondiale en 2050, a-t-il ajouté.”Le reste sera satisfait par la forge de l’acier à base de minerai primaire, d’où proviennent la plupart des émissions.”
Donc, “si l’industrie de l’acier est sérieuse” quant à ses engagements climatiques, a-t-il ajouté, “elle devra remanier fondamentalement la façon dont le matériau est fabriqué – et le faire assez rapidement.”
One technologie alternative actuellement testée remplace le coke par de l’hydrogène. En Suède, Hybrit – une coentreprise entre le sidérurgiste SSAB, le fournisseur d’énergie Vattenfall et LKAB, un producteur de minerai de fer – pilote un processus visant à réutiliser un système existant appelé fer à réduction directe. Ce procédé utilise du coke provenant de combustibles fossiles pour extraire l’oxygène des boulettes de minerai de fer, laissant une boulette de fer poreuse appelée éponge de fer.
La méthode Hybrit extrait au contraire l’oxygène en utilisant de l’hydrogène gazeux non fossile. Ce gaz est créé par électrolyse, une technique qui utilise un courant électrique – dans ce cas, provenant d’une source d’énergie non fossile – pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. (La plupart de l’hydrogène pur est aujourd’hui fabriqué avec du méthane, qui produit du CO2 lorsqu’il est brûlé). L’éponge de fer ainsi obtenue passe ensuite dans un four à arc électrique, où elle est finalement affinée en acier. Le processus ne libère que de la vapeur d’eau comme sous-produit.
“Cette technologie est connue depuis un certain temps, mais elle n’a été réalisée qu’en laboratoire jusqu’à présent”, a déclaré Mikael Nordlander, responsable de la décarbonisation de l’industrie chez Vattenfall. ” Ce que nous faisons ici, c’est de voir si cela peut fonctionner à… “. [the] niveau industriel.”
En août dernier, Hybrit a franchi sa première étape : SSAB, qui produit et vend le produit final, a livré son premier lot d’acier non fossile au constructeur automobile Volvo, qui l’a utilisé dans des prototypes de véhicules. L’entreprise prévoit également la construction d’une usine de production à l’échelle commerciale, qu’elle entend achever d’ici 2026.
Une autre entreprise suédoise, H2 Green Steel, développe une usine d’acier à hydrogène à l’échelle commerciale similaire avec l’aide de 105 millions de dollars levés auprès d’investisseurs privés et d’entreprises, dont Mercedes-Benz, Scania et la Fondation IMAS, une organisation liée à Ikea. L’entreprise prévoit de commencer la production en 2024 et de produire 5 millions de tonnes d’acier sans émissions par an d’ici la fin de la décennie. Parmi les autres entreprises qui testent la production d’acier à l’hydrogène figurent ArcelorMittal, Thyssenkrupp et Salzgitter AG en Allemagne, Posco en Corée du Sud et Voestalpine en Autriche.
L’électricité peut également être utilisée pour réduire le minerai de fer. Boston Metal, par exemple, a mis au point un procédé appelé électrolyse de l’oxyde fondu, dans lequel un courant passe dans une cellule contenant du minerai de fer. Lorsque l’électricité circule entre les deux extrémités de la cellule et chauffe le minerai, de l’oxygène apparaît sous forme de bulles (et peut être récupéré), tandis que le minerai de fer est réduit en fer liquide qui s’accumule au fond de la cellule et est périodiquement soutiré. Le fer purifié est ensuite mélangé au carbone et à d’autres ingrédients.
“Ce que nous faisons, c’est essentiellement échanger le carbone contre l’électricité en tant qu’agent réducteur”, a expliqué Adam Rauwerdink, premier vice-président du développement commercial de la société. “Cela nous permet de fabriquer un acier de très haute qualité en utilisant beaucoup moins d’énergie et en passant par moins d’étapes que pour la fabrication d’acier conventionnelle.” Tant que l’énergie provient de sources non fossiles, a-t-il ajouté, le processus ne génère aucune émission de carbone.
Il a déclaré que la société, qui exploite actuellement trois lignes pilotes dans ses installations de Woburn, s’efforce de mettre son concept de laboratoire sur le marché, en utilisant 50 millions de dollars levés l’année dernière auprès d’un groupe d’investisseurs comprenant Breakthrough Energy Ventures, soutenu par Bill Gates, et le constructeur automobile allemand BMW. Une usine de démonstration à l’échelle commerciale devrait être opérationnelle d’ici 2025.
“Je pense que toutes ces solutions ont leur place, en fonction du lieu, de la disponibilité des ressources et du produit ciblé”, a déclaré Sridhar Seetharaman, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Arizona State University. “Cependant, je ne pense pas que pour le moment, aucune d’entre elles à elle seule vous donnera une solution miracle pour répondre à la demande.”
“L’hydrogène a un peu d’avance car il est basé sur un système établi et il est également en avance sur la commercialisation”, a déclaré M. Bataille, économiste de l’énergie de l’IDDRI. “Mais pour atteindre une industrie sidérurgique nette zéro, il faudra davantage de voies sans carbone, donc je pense qu’il y aura assez de place sur le marché pour toutes ces voies en fin de compte.”
ABien que la fabrication d’acier plus écologique semblent gagner du terrain, il reste un certain nombre de défis importants à relever. Le principal d’entre eux est l’expansion massive de l’infrastructure d’énergie renouvelable qu’impliquerait le passage de l’industrie à ces nouvelles méthodes, a déclaré Thomas Koch Blank, directeur principal du Rocky Mountain Institute, une organisation à but non lucratif basée dans le Colorado. Il estime que le monde aurait besoin de trois fois plus de sources d’énergie solaire et éolienne installées actuellement pour atteindre l’objectif d’une production d’énergie renouvelable.électrifier la production d’acier primaire existante.
Un autre obstacle est le coût. Le passage à l’électricité ou à l’hydrogène nécessiterait d’énormes dépenses en capital pour construire de nouvelles usines et moderniser les anciennes. Dans le cas de la méthode de l’hydrogène propre, le prix de l’acier augmentera en grande partie parce que les producteurs d’acier sont situés à proximité de charbon à coke à faible coût plutôt que d’hydrogène à faible coût, a souligné Koch Blank. “Ces coûts initiaux vont probablement faire grimper le prix de l’acier et des produits finis, du moins au début.”
Selon M. Rissman, l’analyste de San Francisco, la législation tant du côté de l’offre que de la demande pourrait aider à compenser ces coûts plus élevés et encourager davantage d’investissements dans les technologies plus vertes. Les gouvernements, dit-il, pourraient encourager l’utilisation d’acier à faible teneur en carbone pour les bâtiments et les infrastructures en exigeant que les projets financés par l’État utilisent des versions à faible teneur en carbone de certains matériaux de construction. Ils pourraient également appliquer des politiques qui rendent plus coûteux les achats dans les pays où les règles en matière d’émissions sont moins strictes. Cela aidera les producteurs nationaux à “rester compétitifs” à mesure que le marché de l’acier propre “se développe et que les nouveaux processus de production permettent de réaliser des économies d’échelle”, a déclaré M. Rissman.
Le plus grand obstacle est peut-être la Chine, où environ 90 % de la production d’acier est réalisée à l’aide de hauts fourneaux. En septembre 2020, le président Xi Jinping a annoncé que le pays avait pour objectif de devenir neutre en carbone d’ici 2060. Afin de réduire la pollution causée par les aciéries nationales, qui représentent environ 15 % des émissions globales de carbone du pays, Pékin s’est également engagé à atteindre le pic des émissions d’acier d’ici 2030. Malgré cela, 18 nouveaux projets de hauts fourneaux ont été annoncés en Chine au cours des six premiers mois de 2021, selon le Center for Research on Energy and Clean Air, un groupe de recherche basé à Helsinki.
L’acier est l’une des industries les plus importantes et les plus difficiles à décarboniser, a déclaré M. Rissman, de sorte qu’une coordination mondiale à ce sujet serait très utile.
De retour à Boston, M. Rauwerdink, qui surveille les lignes d’usine de Boston Metal, est d’accord. “C’est un défi fantastique que nous devons relever”, a-t-il déclaré. Mais, ajoute-t-il, “nous montrons que les solutions existent – et fonctionnent.”
Marcello Rossi est un journaliste scientifique et environnemental indépendant basé à Milan, en Italie. Son travail a été publié par Al Jazeera, Smithsonian, Reuters, Wired et Outside, entre autres.
