Environ 70 % de l’acier mondial est actuellement produit dans des hauts fourneaux à fortes émissions. Selon des chercheurs de l’université de Birmingham, un système thermochimique d’oxydoréduction pourrait réduire les émissions à une fraction minuscule des niveaux actuels, tout en s’amortissant et en générant des bénéfices impressionnants en cinq ans.
Une idée rare de décarbonisation qui semble aussi bonne pour les affaires que pour la planète. Ce système promet de réduire radicalement les émissions de dioxyde de carbone pour 70 % des sidérurgistes, tout en générant des bénéfices et en utilisant les hauts fourneaux existants.
Le fer et l’acier constituent l’épine dorsale de la vie moderne, mais ils sont responsables d’environ 8 % des émissions mondiales de carbone, ce qui en fait la principale source de gaz à effet de serre industriels.
La voie vers un avenir 100 % propre est assez claire : abandonnez les hauts-fourneaux et les réducteurs de coke à base de charbon cuit et remplacez-les par des fours à arc électrique fonctionnant à l’énergie propre et des réducteurs à hydrogène vert. Boom : de l’acier vert avec de l’eau comme seul sous-produit.
Le problème est le suivant : l’humanité produit aujourd’hui environ deux milliards de tonnes d’acier par an dans le monde, dont un pourcentage si infime est propre qu’en 2021, la livraison d’un bloc d’acier vert à un client a constitué une grande nouvelle. Il s’agit d’une industrie colossale qui dispose d’une quantité énorme d’actifs, d’installations et de machines déjà pleinement fonctionnels et construits pour durer.
Selon les chercheurs, il est possible de préserver les actifs des hauts fourneaux existants, de réduire les émissions et d’économiser de l’argent en utilisant un procédé d’oxydoréduction thermochimique.
Le passage à un four à arc électrique n’est pas un exercice anodin ; il coûte entre 1,1 et 1,7 milliard de dollars selon le deuxième plus grand sidérurgiste du monde, sans compter les coûts liés à vos actifs de haut fourneau inutilisés. L’hydrogène vert n’est pas encore disponible à l’échelle nécessaire, et le coût de production de l’acier vert est donc brutalement supérieur de 60 % à celui de l’acier sale.
L’acier de haut fourneau/four à oxygène (BF-BOF : Blast-Furnace/Basic Oxygen Furnace) sera donc là pendant des décennies, et c’est pourquoi ce nouveau système de modernisation de l’université de Birmingham pourrait être l’une des plus importantes avancées technologiques vertes de l’année, même s’il n’est pas totalement vert.
En bref, il remplace environ 90 % du coke utilisé dans le haut fourneau par une injection directe de monoxyde de carbone. Le monoxyde de carbone provient d’un système qui capte et recycle les gaz d’échappement du haut fourneau, en séparant à haute température le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l’hydrogène et l’azote. Ces gaz sont ensuite envoyés dans un système redox à double réacteur qui maintient le carbone dans un circuit fermé.
Le dioxyde de carbone est soumis à un processus d’oxydation thermochimique dans une chambre de réacteur, à l’aide d’un matériau à double pérovskite (Ba2Ca0,66Nb0,34FeO6, ou BCNF1), qui le transforme en monoxyde de carbone à environ 800 °C à un taux d’environ 10,1 % à chaque passage, en extrayant les atomes d’oxygène des molécules de dioxyde de carbone et en les utilisant pour remplir la structure cristalline cubique du BCNF1.
Flux de masse dans un système de production d’acier BF-BOF avec un système redox thermochimique
Pendant ce temps, l’azote et la petite quantité d’hydrogène du gaz supérieur sont envoyés dans un deuxième réacteur BCNF1 pour un processus de réduction thermochimique à 700 °C, qui libère de l’oxygène pur de la structure BCNF1. Cet oxygène alimente le convertisseur basique à oxygène qui transforme le métal chaud du haut fourneau en acier liquide, le surplus d’oxygène pouvant être vendu. Le gaz d’échappement du four à oxygène basique retourne directement dans le séparateur de gaz.
Toutes les 24 heures environ, les structures BCNF1 des chambres de réduction et d’oxydation commencent à baisser leur taux de réaction, ayant respectivement libéré ou stocké trop d’atomes d’oxygène. L’exploitant de l’aciérie n’a plus qu’à inverser les flux de gaz entrant et sortant de ces deux réacteurs, en utilisant la pérovskite dans un cycle thermochimique d’oxydoréduction sans fin pour maintenir l’efficacité de ces réactions.
Ce système recycle très efficacement le carbone et la chaleur. Mais en retirant la majeure partie du coke et en réutilisant les gaz d’échappement qui sont normalement brûlés, il élimine une grande partie de l’énergie habituellement utilisée pour faire fonctionner une aciérie. Ce système nécessite l’apport d’environ 306 kWh d’énergie électrique supplémentaire par tonne d’acier liquide produite.
« Si l’électricité nécessaire à l’alimentation des réchauffeurs électriques et des séparateurs de gaz provient de sources renouvelables, elle n’augmente pas les émissions du TC-BF-BOF », peut-on lire dans l’étude de l’équipe de Birmingham, qui vient d’être publiée dans le Journal of Cleaner Production. « Le coût de cette électricité, plus l’électricité nécessaire pour alimenter les séparateurs de gaz, est plus que compensé par les économies réalisées en remplaçant le coke dans le système. »
Flux d’énergie dans un système de production d’acier BF-BOF avec un système d’oxydoréduction thermochimique.
En effet, l’équipe de Birmingham affirme que l’adaptation de ce système d’oxydoréduction thermochimique aux aciéries BF-BOF existantes devrait rendre la production d’acier nettement moins coûteuse. Si l’on prend l’exemple de l’usine British Steel (BS) de Scunthorpe, l’équipe estime que BS aurait besoin de 10 de ces réacteurs redox commutables, chacun d’une hauteur de 15 m et d’un diamètre de 9,5 m, pour un coût total d’environ 359 millions de livres sterling (408 millions d’euros).
Mais l’entreprise économiserait 187 millions de livres sterling (212 millions d’euros) par an sur son budget coke – un chiffre qui impressionnerait Robert Downey Jr à la fin des années 1990 – et générerait environ 13 millions de livres sterling (14,8 millions d’euros) par an en ventes excédentaires d’oxygène pur. Le rapport estime qu’au bout de cinq ans seulement, BS aurait amélioré son bilan d’environ 640 millions de livres sterling (728 millions d’euros). Le matériau BCNF1 devrait être remplacé tous les cinq à dix ans pour un coût d’environ 200 millions de livres sterling (227 millions d’euros).
Si ces chiffres se confirment, il s’agirait d’une évidence pour tout sidérurgiste disposant d’une installation BF-BOF, ne serait-ce que pour des raisons économiques.
La sidérurgie est l’une des industries les plus polluantes de la planète, représentant environ 8 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone.
Mais c’est la planète qui est en jeu. Et les émissions seraient absolument réduites, d’au moins 90 %, affirment les chercheurs. Il n’existe qu’une seule autre installation de production d’acier BF-BOF au Royaume-Uni, celle de Tata à Port Talbot. Cette installation et celle de BF émettent ensemble environ 11,4 millions de tonnes de dioxyde de carbone par an, soit environ 3,1 % des émissions totales du Royaume-Uni. Ce système promet de ramener ce chiffre à environ 680 000 tonnes, soit une réduction massive de 94 %.
Cela signifie que le Royaume-Uni pourrait réduire ses émissions nationales totales de 2,9 % avec un investissement initial d’environ 720 millions de livres sterling (893 millions de dollars américains) et des coûts de remplacement de la pérovskite d’environ 400 millions de livres sterling (496 millions de dollars américains) tous les cinq à dix ans – des investissements qui rapporteraient des dividendes substantiels en quelques années.
Et il ne s’agit là que du Royaume-Uni ; environ 70 % de l’acier mondial est actuellement produit dans des usines BF-BOF. La portée potentielle de l’opportunité de décarbonisation est absolument énorme.
Mais – et il y a toujours un « mais » – il ne s’agit pour l’instant que d’un document de recherche, des premiers calculs de principe autour de l’idée. L’équipe doit encore réaliser le prototype d’une telle installation, et il y a quelques inconnues qu’elle souhaite examiner avant d’aller de l’avant.
Tout d’abord, le coke est utilisé comme support structurel dans les hauts fourneaux, et l’équipe indique que des recherches sont nécessaires pour déterminer dans quelle mesure les flux de chaleur et de masse seraient affectés s’il était supprimé. Deuxièmement, l’équipe indique que les recherches doivent se concentrer sur la réduction des besoins énergétiques de la séparation azote/monoxyde de carbone. Enfin, des expériences devront être menées sur plusieurs années avant de pouvoir comprendre le taux de remplacement des matériaux pérovskites.
Néanmoins, étant donné le potentiel colossal de réduction des émissions et les projections financières impressionnantes pour les sidérurgistes, on peut dire que l’équipe ne devrait pas avoir de mal à obtenir des fonds pour faire avancer cette idée. Il est rare de trouver une technologie de décarbonisation qui semble fonctionner aussi bien pour les propriétaires d’entreprises que pour la planète.
« Les propositions actuelles de décarbonisation du secteur de l’acier reposent sur la suppression progressive des usines existantes et l’introduction de fours à arc électrique alimentés par de l’électricité renouvelable », explique le professeur Yulong Ding, coauteur de l’étude, dans un communiqué de presse. « Cependant, la construction d’une usine de fours à arc électrique peut coûter plus d’un milliard de livres sterling, ce qui rend ce changement économiquement irréalisable dans le temps restant pour respecter l’accord de Paris sur le climat. Le système que nous proposons peut être adapté aux usines existantes, ce qui réduit le risque d’actifs non rentables, et la réduction du CO2, ainsi que les économies de coûts, sont visibles immédiatement. »
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095965262300121X?via%3Dihub
