Une révolution verte indispensable dans la production de ciment

Le ciment est un matériau essentiel du monde moderne. Il sert à construire nos maisons, nos bureaux, nos ponts, nos barrages, nos routes et nos trottoirs. Chaque année, nous produisons plus de quatre milliards de tonnes de ciment dans le monde, provenant d'environ 4 000 usines, ce qui donne 30 milliards de tonnes de béton, son application la plus courante.

La production de ciment est toutefois l'un des principaux responsables des émissions de carbone. Elle est responsable de 7 % des émissions mondiales. Si l'industrie du ciment était un pays, elle se classerait au quatrième rang des plus grands émetteurs, à égalité avec la Russie et derrière la Chine, les États-Unis et l'Inde.

Les émissions du ciment sont à peu près équivalentes à celles de l'industrie sidérurgique. Le ciment et l'acier sont donc les secteurs industriels les plus polluants. Contrairement à l'acier, dont la technologie peut fondamentalement changer le processus de production et éliminer presque toutes les émissions, la production de ciment est par nature très émettrice de CO2. La transformation chimique des matières premières en ciment émet du CO2 et il n'y a aucun moyen d'y échapper, ces « émissions de processus » représentant 60 % du total. Les 40 % restants proviennent des températures élevées requises (environ 1 450 °C), qui sont généralement atteintes par la combustion de charbon ou de déchets plastiques.

Alors, que peuvent faire les cimentiers pour réduire leurs émissions, et à quel prix ? Heureusement, il existe des solutions. Ils peuvent capturer et stocker le CO2 de manière permanente ou passer à des sources de chauffage plus durables. Nous examinons ces cas d’usage dans cet article.

Selon l'Agence internationale de l'énergie, la production de ciment devrait augmenter de 17 % d'ici 2050 si les politiques actuelles sont appliquées. Même dans le scénario d'une économie à bilan carbone nul, les niveaux de production restent proches de ceux d'aujourd'hui, ce qui souligne le fait que le ciment et le béton continueront à jouer leur rôle actuel de matériaux de construction importants.

Dans cet article, nous n'explorons que les moyens de rendre la production de ciment et de béton plus écologique. Pour l'instant, nous n'abordons pas les moyens de réduire la demande de ciment, par exemple en remplaçant le béton par du bois dans les bâtiments ou en optimisant la conception des bâtiments.

CCS : l'importance du captage et du stockage du carbone

Le déploiement de la capture et du stockage du carbone (CSC) est inévitable sans la disponibilité de nouvelles technologies capables de modifier fondamentalement le processus chimique de fabrication du ciment. Le CSC fait donc partie intégrante de tout scénario de décarbonisation du secteur et peut être appliqué à la fois au processus et aux émissions de chauffage.

Selon nos hypothèses et nos calculs, le CCS peut réduire les émissions de ciment d'environ 85 %, ce qui constitue une grande avancée. En outre, il augmente légèrement le coût de production du ciment, d'environ 10 % dans notre cas de référence, où le CO2 peut être transporté par pipeline et stocké dans un rayon de 150 km. Pour de nombreuses cimenteries, le CCS sera la solution de décarbonisation la plus efficace et la plus rentable.

La capture et le stockage des émissions de CO2, ainsi que l’utilisation de combustibles de chauffage plus propres, peuvent réduire considérablement les émissions, bien que chacun ait des coûts différents.

Émissions et coûts indicatifs de la production de clinker

Source : ING Research

Pourquoi le CCS ne sera pas une solution à court terme pour toutes les cimenteries

Le coût du captage et du stockage du carbone varie considérablement en fonction de l’emplacement du site, et les installations de production de ciment sont souvent largement dispersées dans un pays ou une région.

L'Europe compte par exemple environ 300 installations. Certaines d'entre elles sont situées près des côtes et permettent de transporter le CO2 vers des sites de stockage offshore par pipeline. Nos calculs partent du principe que le CO2 peut être transporté « à moindre coût ». Nous partons du principe que le transport par pipeline vers un site de stockage offshore se situe à une distance maximale de 150 kilomètres, ce qui est faisable pour des pays comme la Norvège, le Royaume-Uni et les Pays-Bas. Actuellement, des pipelines de CO2 sont en cours de développement dans les principaux pôles industriels de ces pays, ce qui permet aux cimenteries de ces régions de bénéficier de coûts de transport plus faibles. Ces sites seront probablement les premiers à appliquer la technologie CCS.

De nombreuses installations sont situées à l’intérieur des terres, loin des pôles industriels dotés de pipelines de CO2, mais à proximité de rivières, ce qui permet de transporter le CO2 par bateau. Cette méthode est toutefois considérablement plus coûteuse, en particulier pour des distances allant jusqu’à 500 kilomètres. Ces sites peuvent également appliquer la technologie CCS dès lors qu’il existe des ports disponibles où les bateaux peuvent décharger leurs cargaisons de CO2.

De plus, certaines usines de ciment sont situées à l'intérieur des terres, sans possibilité de transport du CO2 par pipeline ou par bateau, même à l'avenir. Dans de tels cas, le CO2 pourrait être transporté par camion, mais cela augmenterait encore les coûts et les émissions de carbone car cela entraînerait de nombreux déplacements de camions. Le CCS ne sera pas appliqué facilement ou rapidement sur ces sites.

Au total, le coût de capture, de transport et de stockage permanent d’une tonne de carbone issue de la production de ciment varie de 50 à 200 euros, selon la localisation du site et le mode de transport (faible coût pour les pipelines, coût élevé pour les navires).

Changement de source de chauffage

L’hydrogène vert est puissant, mais aussi trop coûteux et précieux

L'utilisation de l'hydrogène comme combustible est un moyen d'atteindre les températures élevées nécessaires à la fabrication du ciment. En théorie, l'hydrogène vert pourrait remplacer le charbon et les déchets comme source de chauffage. Bien que cela ne réduise pas les émissions du procédé (le CCS est nécessaire pour cela), cela réduirait d'un tiers les émissions globales du ciment puisque le processus de chauffage lui-même n'émettrait pas de CO2.

L'utilisation de l'hydrogène vert dans l'industrie du ciment présente toutefois des inconvénients majeurs. À l'heure actuelle, cela doublerait presque le coût de production du ciment. La technologie n'a pas encore été testée et il n'y aura pas suffisamment d'hydrogène vert disponible dans un avenir proche pour répondre aux vastes besoins énergétiques de l'industrie.

L’hydrogène vert est en outre une ressource extrêmement précieuse qui pourrait être utilisée plus efficacement pour décarboner d’autres secteurs. Dans des secteurs comme la sidérurgie, le transport maritime et l’aviation, l’hydrogène vert a le potentiel de transformer des processus à forte intensité de carbone en opérations sans énergie fossile. Par exemple, il peut être utilisé pour produire des carburants synthétiques pour les navires, les avions et les camions, ou pour éliminer le charbon dans la production d’acier.

Ces applications de l’hydrogène vert sont bien plus transformatrices que le simple remplacement d’un combustible fossile sans modifier le processus de fabrication du ciment. D’autres industries sont susceptibles de payer des prix plus élevés pour l’hydrogène vert. Nous pensons donc que l’hydrogène progressera plus rapidement dans d’autres secteurs à forte intensité énergétique.

Petits pas, grand impact ; les améliorations marginales comptent

Jusqu’à présent, nous avons exploré les solutions les plus radicales pour réduire les émissions. Heureusement, il existe aussi des mesures plus petites et progressives qui peuvent faire la différence. Même si ces mesures ne peuvent pas réduire les émissions de plusieurs dizaines de points de pourcentage dans chaque usine, leur application généralisée dans toutes les usines peut avoir un impact significatif sur les émissions totales du secteur. Bien sûr, elles n’éliminent pas la nécessité de capturer et de stocker le carbone, mais elles limitent la mesure dans laquelle le CCS serait nécessaire.

Le procédé de fabrication du ciment n’a pratiquement pas changé depuis ses débuts, à l’exception d’une meilleure efficacité énergétique. Les fours à ciment traditionnels ont déjà atteint une efficacité énergétique de plus de 60 % et il est peu probable qu’ils fassent l’objet de mises à niveau importantes, mais au niveau des usines, des améliorations pourraient être apportées. Des gains plus importants pourraient être réalisés en utilisant la chaleur résiduelle dans d’autres processus industriels ou pour chauffer les maisons en construisant des réseaux de chauffage.

Utiliser moins de clinker

Le ciment Portland est le ciment le plus utilisé et contient 95 % de clinker. Le clinker peut être partiellement remplacé par des matériaux cimentaires supplémentaires, comme les cendres volantes des centrales à charbon et les scories de haut fourneau issues de la fabrication de l'acier. Cette substitution réduit le taux de clinker, ce qui réduit la consommation d'énergie et évite certaines des émissions inhérentes à la production de clinker. Cependant, à mesure que les secteurs de l'énergie et de l'acier en Europe s'éloignent du charbon, ces matières premières alternatives deviendront moins facilement disponibles.

Co-traitement de la biomasse

Les produits du charbon et les déchets sont les combustibles les plus courants pour générer de la chaleur industrielle dans la production de ciment. La biomasse peut également être utilisée pour la co-combustion, bien qu’il soit techniquement difficile de la remplacer complètement en raison de la valeur calorique plus faible de la plupart des matières organiques. La biomasse d’origine durable est considérée comme un combustible à zéro émission selon les directives actuelles, ce qui réduit l’empreinte carbone du ciment. Mais là aussi, comme pour l’hydrogène vert, la biomasse peut ajouter plus de valeur à l’écologisation d’autres secteurs à forte intensité énergétique. Ainsi, à mesure que nous évoluons vers une économie à zéro émission nette, nous nous attendons à ce que son utilisation dans l’industrie du ciment soit limitée par la forte demande dans d’autres secteurs.

Appliquer les principes de l'économie circulaire

L'adoption des principes de l'économie circulaire peut réduire considérablement la demande de ciment. Cela comprend l'optimisation des conceptions structurelles pour utiliser moins de béton, la création d'infrastructures facilement démontables pour la réutilisation et le recyclage, et le remplacement du béton par des matériaux à zéro émission de CO2 comme le bois. Un sujet important et intéressant, mais que nous n'aborderons pas dans cet article en raison de son accent sur l'écologisation de la production de ciment.

Béton écologique : transformer le ciment en puits de carbone

Bien que la réaction chimique du ciment produise du CO2 par nature, la même réaction peut également être utilisée dans l'ordre inverse pour stocker le CO2 dans le béton, principal produit final du ciment. L'injection de CO2 lors de la production de béton consiste à introduire le CO2 capturé dans le mélange de béton. Ce processus chimique intègre de manière permanente le CO2 dans le béton.

Des entreprises comme CarbonCure sont capables de stocker jusqu’à 18 kilogrammes de CO2 par mètre cube de béton. Cela ne représente qu’une infime fraction des 350 kilogrammes de CO2 générés par l’utilisation de ciment non dilué dans le béton (selon le type de ciment et le mélange de béton, les émissions varient de 250 à 400 kilogrammes). Mais ce chiffre tombe à environ 50 kilogrammes de CO2 si le CO2 est capté et stocké pendant la production de ciment.

Ainsi, l’injection de CO2 dans le béton, associée au CCS dans la production de ciment, pourrait apporter de nouvelles solutions et permettre à l’avenir d’obtenir du ciment et du béton neutres en carbone. Les émissions restantes peuvent être compensées sur des marchés volontaires du carbone (32 kilogrammes de CO2 par tonne de béton dans notre exemple).

Stratégies pour un béton neutre en carbone

Impact indicatif des mesures de réduction du CO2 en kilogrammes de CO2 par tonne de béton

Source : ING Research

L’industrie du ciment a encore un long chemin à parcourir pour atteindre la neutralité carbone, et l’injection de CO2 et le CCS sont confrontés à des défis considérables. Ces technologies en sont encore à leurs balbutiements et sont très coûteuses, si tant est qu’elles soient disponibles.

L’innovation dans la chaîne d’approvisionnement du ciment et la poursuite des recherches sont essentielles pour garantir que le béton injecté au CO2 respecte les codes et normes de construction locaux. Des projets pilotes peuvent aider à établir l’argument commercial en faveur du béton neutre en carbone, en le rendant évolutif et rentable. Actuellement, la demande n’est pas le problème ; les principaux promoteurs et investisseurs sont prêts à construire des bâtiments à zéro émission nette et à payer un supplément pour cela, en particulier sur les marchés haut de gamme. Et les décideurs politiques doivent atteindre leurs objectifs d’émissions, dont le ciment représente une part importante. Cela met la pression sur les producteurs de ciment et les décideurs politiques pour verdir l’industrie site par site.

Annexe : explications techniques du ciment par un économiste

La production de ciment commence par la préparation des matières premières – calcaire, gravier et argile – qui sont ensuite broyées en fine poudre. Le clinker de ciment est ensuite produit en ajoutant le calcaire préparé dans un four à ciment à une température d’environ 1450 degrés Celsius. Cela permet la calcination du calcaire en ciment et en CO2. Le CO2 est soit émis dans l’atmosphère, soit capté et stocké de manière permanente grâce au CCS.

Production de ciment avec et sans CCS

Source : ING Research

Hypothèses économiques expliquées

Les coûts sont calculés dans une perspective nord-ouest européenne et sont basés sur de nombreuses hypothèses économiques et chimiques. Nous listons ici nos principales hypothèses économiques : un prix du gaz de 35 €/MWh, un prix de l'électricité de 85 €/MWh, un prix du carbone de 65 €/tonne avec une tarification complète du carbone (pas de quotas gratuits) et un prix du charbon de 110 €/tonne.

Nous avons appliqué des coûts technologiques de 21 €/tonne/an pour un four à ciment qui fonctionne 95 % du temps (facteur de capacité). Le CO2 est capturé et transporté par pipeline sur 150 kilomètres pour être stocké de manière permanente dans un champ pétrolier ou gazier offshore vide. Nous avons supposé un coût total de capture, de transport et de stockage du CO2 de 100 €/tonne et le taux de capture CCS est fixé à 85 %.

Nous utilisons un électrolyseur alcalin de fabrication occidentale qui coûte environ 1 000 €/kW et fonctionne avec une efficacité de 70 % et une capacité de 70 %. Cela se traduit par un coût de l'hydrogène vert d'environ 5 €/kg pour un prix de l'électricité de 85 €/MWh.

En pratique, toutes ces variables d'entrée présentent des variations considérables qui produisent un large éventail de résultats pour chaque technologie. Nous avons choisi de présenter des estimations ponctuelles car elles reflètent souvent mieux les principales informations que de larges fourchettes. Considérez ces chiffres comme des résultats indicatifs autour desquels les projets en temps réel varieront.

Cette note fait partie d'une série en cours axée sur le verdissement des secteurs difficiles à réduire. Vous trouverez ici nos autres mises à jour sur les secteurs de l'acier , du plastique , de l'aviation et du transport maritime .