Cet article a été initialement publié sur Sombre.
Dans la ville de Woburn, Massachusetts, une banlieue juste au nord de Boston, un groupe d'ingénieurs et de scientifiques en blouse blanche a inspecté une pile ordonnée de lingots d'acier gris métallisé de la taille d'une brique sur un bureau à l'intérieur d'un espace de 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 qui Boston Metal, une entreprise issue du MIT il y a dix ans, espère transformer radicalement la façon dont l'alliage a été fabriqué pendant des siècles. En utilisant l'électricité pour séparer le fer de son minerai, l'entreprise affirme qu'elle peut fabriquer de l'acier sans libérer de dioxyde de carbone, offrant ainsi une voie pour nettoyer l'une des pires industries au monde en termes d'émissions de gaz à effet de serre.
Intrant essentiel pour l'ingénierie et la construction, l'acier est l'un des matériaux industriels les plus populaires au monde, avec plus de 2 milliards de tonnes produites chaque année. Cette abondance a cependant un prix élevé pour l'environnement. La sidérurgie représente 7 à 11 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, ce qui en fait l'une des plus grandes sources industrielles de pollution atmosphérique. Et comme la production pourrait augmenter d'un tiers d'ici 2050, cette charge environnementale pourrait augmenter.
Cela pose un défi important pour faire face à la crise climatique. Les Nations Unies déclarent qu'une réduction significative des émissions de carbone industrielles est essentielle pour maintenir le réchauffement climatique sous la barre des 1,5 degrés Celsius fixée par l'accord de Paris sur le climat de 2015. Pour ce faire, les émissions de la sidérurgie et d'autres industries lourdes devront diminuer de 93 % d'ici 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, y compris de grands producteurs et des startups, expérimentent des technologies à faible émission de carbone qui utilisent de l'hydrogène ou de l'électricité au lieu de la fabrication traditionnelle à forte intensité de carbone. Certains de ces efforts se rapprochent de la réalité commerciale.
"Ce dont nous parlons, c'est d'une industrie à forte intensité de capital et averse 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. Par conséquent, a-t-il ajouté, "c'est excitant" qu'il se passe tant de choses en même temps.
Pourtant, les experts s'accordent à dire que la transformation d'une industrie mondiale qui a généré 2 500 milliards de dollars de chiffre d'affaires en 2017 et emploie plus de 6 millions de personnes nécessitera d'énormes efforts. 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 inquiétudes concernant la Chine, où plus de la moitié de l'acier mondial est fabriqué et dont les plans de décarbonisation du secteur sidérurgique restent vagues.
"Ce n'est certainement pas une solution facile pour 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, en dépend. »
La sidérurgie moderne implique plusieurs étapes de production. Le plus souvent, le minerai de fer est broyé et transformé en aggloméré (solide rugueux) ou en boulettes. Séparément, le charbon est cuit et transformé en coke. Le minerai et le coke sont ensuite mélangés avec du calcaire et introduits dans un grand haut fourneau où un flux d'air extrêmement chaud est introduit par le bas. Sous des températures élevées, le coke brûle et le mélange produit de la fonte liquide, appelée 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. Premièrement, les réactions chimiques dans le haut fourneau entraînent des émissions, car le carbone piégé dans le coke et le calcaire se lie à l'oxygène de l'air pour créer du dioxyde de carbone comme sous-produit. De plus, les combustibles fossiles sont généralement brûlés pour chauffer le haut fourneau et alimenter les usines de frittage et de bouletage, ainsi que les fours à coke, émettant du dioxyde de carbone au cours du processus.
Jusqu'à 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 émettent beaucoup moins de CO2 que les hauts-fourneaux.
"Ce n'est certainement pas une solution facile pour 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 en dépendent. »
Mais en raison de l'offre limitée de ferraille, toutes les demandes futures ne peuvent pas être satisfaites de cette façon, a déclaré Jeffrey Rissman, directeur du programme industriel et responsable de la modélisation à la société de politique énergétique et climatique Energy Innovation basée à San Francisco. Avec les bonnes politiques en place, le recyclage pourrait fournir jusqu'à 45 % de la demande mondiale en 2050, a-t-il déclaré. "Le reste sera satisfait en forgeant de l'acier à base de minerai primaire, d'où proviennent la plupart des émissions."
Donc "si l'industrie sidérurgique est sérieuse" au sujet de ses engagements climatiques, a-t-il ajouté, "elle devra remodeler fondamentalement la façon dont le matériau est fabriqué - et le faire assez rapidement."
Une technologie alternative testée remplace le coke par de l'hydrogène. En Suède, Hybrit, une joint-venture entre le sidérurgiste SSAB, le fournisseur d'énergie Vattenfall et LKAB, un producteur de minerai de fer, pilote un processus qui vise à réutiliser un système existant appelé fer à réduction directe. Le processus utilise du coke 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 plutôt l'oxygène à l'aide d'hydrogène gazeux non fossile. Le gaz est créé par électrolyse, une technique qui utilise un courant électrique - dans ce cas, à partir d'une source d'énergie non fossile - pour séparer l'eau en hydrogène et en oxygène. (La plupart de l'hydrogène pur aujourd'hui est fabriqué avec du méthane, qui produit du CO2 lorsqu'il est brûlé.) L'éponge de fer qui en résulte 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 jusqu'à présent, elle n'a été réalisée qu'en laboratoire", a déclaré Mikael Nordlander, responsable de la décarbonisation de l'industrie chez Vattenfall. "Ce que nous faisons ici, c'est voir si cela peut fonctionner au niveau industriel."
En août dernier, Hybrit a atteint son premier jalon :SSAB, qui produit et vend le produit final, a livré son premier lot d'acier sans fossiles au constructeur automobile Volvo, qui l'a utilisé dans des prototypes de véhicules. Il prévoit également une usine de production à l'échelle commerciale, qu'il vise à achever d'ici 2026.
Une autre entreprise suédoise, H2 Green Steel, développe une usine d'acier à hydrogène similaire à l'échelle commerciale avec l'aide de 105 millions de dollars levés auprès d'investisseurs privés et d'entreprises telles que Mercedes-Benz, Scania et IMAS Foundation, une organisation liée à Ikea. L'entreprise prévoit de commencer la production d'ici 2024 et de produire 5 millions de tonnes d'acier à zéro émission par an d'ici la fin de la décennie. 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 développé un procédé appelé électrolyse d'oxyde fondu, dans lequel un courant se déplace à travers une cellule contenant du minerai de fer. Lorsque l'électricité circule entre les deux extrémités de la cellule et chauffe le minerai, l'oxygène bouillonne (et peut être collecté), tandis que le minerai de fer est réduit en fer liquide qui s'accumule au fond de la cellule et est périodiquement prélevé. Le fer purifié est ensuite mélangé avec du carbone et d'autres ingrédients.
"Ce que nous faisons, c'est essentiellement échanger du carbone contre de l'électricité en tant qu'agent réducteur", a expliqué Adam Rauwerdink, vice-président senior du développement commercial de l'entreprise. "Cela nous permet de fabriquer de l'acier de très haute qualité en utilisant beaucoup moins d'énergie et en moins d'étapes que la fabrication d'acier conventionnelle." Tant que l'électricité provient de sources non fossiles, a-t-il ajouté, le processus ne génère aucune émission de carbone.
Il a déclaré que la société, qui gère actuellement trois lignes pilotes dans son usine 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 l'Allemand constructeur automobile 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 de l'emplacement, 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 l'instant, personne ne puisse vous donner une solution miracle pour répondre à la demande."
"L'hydrogène a un peu d'avance en étant basé sur un système établi et il est également en avance sur le plan de la commercialisation", a déclaré Bataille, économiste de l'énergie à l'IDDRI. "Mais pour parvenir à une industrie sidérurgique nette zéro, il faudra davantage de voies sans carbone, donc je pense qu'il y aura suffisamment de place sur le marché pour tous à la fin."
Bien que des processus de fabrication d'acier plus écologiques semblent gagner du terrain, il reste un certain nombre de défis sérieux à relever. Le principal d'entre eux est l'expansion massive des infrastructures d'énergie renouvelable qu'un changement à l'échelle de l'industrie vers ces nouvelles méthodes entraînerait, a déclaré Thomas Koch Blank, directeur principal du Rocky Mountain Institute à but non lucratif basé au Colorado. Il estime que le monde aurait besoin de jusqu'à trois fois les sources d'énergie solaire et éolienne actuellement installées pour 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 ériger de nouvelles centrales 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 du charbon à coke à faible coût plutôt que de l'hydrogène à faible coût, a souligné Koch Blank. "Ces coûts initiaux feront probablement grimper le prix de l'acier et des produits finaux, du moins au début."
Selon Rissman, l'analyste à San Francisco, la législation sur l'offre et la demande pourrait aider à compenser ces coûts plus élevés et encourager davantage d'investissements dans des technologies plus vertes. Les gouvernements, a-t-il dit, pourraient encourager l'utilisation d'acier à faible teneur en carbone pour la construction et les infrastructures en exigeant que les projets financés par l'État utilisent des versions à faible teneur en carbone des matériaux de construction désignés. Ils pourraient également appliquer des politiques qui rendent plus coûteux l'achat dans des pays où les règles sur les émissions sont moins strictes. Cela aidera les producteurs nationaux à "rester compétitifs" alors 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 Rissman.
"C'est un défi fantastique auquel nous sommes confrontés", a déclaré Rauwerdink. Mais, a-t-il ajouté, "Nous montrons que des solutions existent et fonctionnent. “
Le plus gros 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 visait à devenir neutre en carbone d'ici 2060. Dans le but de réduire la pollution des aciéries nationales, qui représentent environ 15 % des émissions totales de carbone du pays, Pékin s'est également engagé à atteindre le pic 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 groupe de recherche basé à Helsinki, le Centre de recherche sur l'énergie et l'air pur.
L'acier est l'une des industries les plus importantes et les plus difficiles à décarboniser, a déclaré Rissman, donc une coordination mondiale à ce sujet serait d'une grande aide.
De retour à Boston, Rauwerdink, examinant les lignes d'usine de Boston Metal, a accepté. "C'est un défi fantastique auquel nous sommes confrontés", a-t-il déclaré. Mais, a-t-il ajouté, "Nous montrons que des solutions existent et fonctionnent."
