Comment éliminer les émissions de carbone de l'industrie sidérurgique

Comment éliminer les émissions de carbone de l'industrie sidérurgique Les fours à arc électrique peuvent être utilisés pour décarboner le processus de fabrication de l'acier. Oleksiy Mark / Shutterstock

Le charbon a produit moins de 2% de l'électricité britannique en 2020, en dépit d'être la plus grande source d'énergie unique sept ans plus tôt. Alors que l'électricité du pays devient chaque année plus propre, il existe un secteur dans lequel ce combustible fossile riche en carbone reste difficile à remplacer: la sidérurgie.

Si elle était approuvée, la mine de charbon Woodhouse à Cumbria serait la première mine de charbon profonde à ouvrir au Royaume-Uni pendant 30 ans, et elle produirait 2.7 millions de tonnes de charbon à coke par an pour l'industrie sidérurgique.

L'acier a un rapport résistance / poids élevé et est relativement bon marché à produire - des qualités qui rendent le matériau inestimable dans la construction et l'industrie automobile. En tant que composant majeur des éoliennes, l'acier sera également un élément important de la transition vers l'énergie verte.

C'est en partie pourquoi la demande mondiale d'acier devrait augmenter de plus d'un tiers d'ici 2050. Cela pourrait être une mauvaise nouvelle pour la planète, car la fabrication d'acier représente déjà 7% des émissions de CO₂ dans le monde et des tours 2.7% des émissions britanniques.

Le monde doit trouver un moyen de fabriquer beaucoup d'acier tout en réduisant l'empreinte carbone de l'industrie. Et le comité indépendant du gouvernement sur les changements climatiques a recommandé que la fabrication de l'acier au Royaume-Uni atteigne presque zéro émission de carbone d'ici 2035. Quelle est donc la meilleure voie vers une industrie sidérurgique à faible teneur en carbone?

Comment fabriquer de l'acier

Pour produire de l'acier, le minerai de fer est extrait, traité puis allié au carbone et à d'autres éléments. Le charbon à coke, une forme de charbon à haute teneur en carbone, joue trois rôles différents dans ce processus. Il peut aider à transformer le minerai de fer en fer, à transformer le fer en acier, et c'est aussi un carburant qui peut aider à alimenter ces processus.

Dans une aciérie intégrée, le charbon à coke est chauffé à environ 1,100 XNUMX ° C pour produire une forme pure de carbone appelée coke. Le coke réduit le minerai en fer dans un haut fourneau en réagissant avec l'oxygène pour produire du monoxyde de carbone. Une molécule de minerai de fer réagit avec trois molécules de monoxyde de carbone, laissant deux atomes de fer et trois molécules de dioxyde de carbone. Le gaz à effet de serre est ensuite rejeté dans l'atmosphère sous forme de déchet.

Enfin, le fer est converti en acier en modifiant sa teneur en carbone dans un four à oxygène basique. À l'échelle mondiale, 90% de l'acier produit à partir de minerai de fer est fabriqué en utilisant ce procédé.

Une industrie sidérurgique neutre en carbone pourrait remplacer le charbon à chaque étape de ce processus. Mais pour le moment, le charbon reste l'option la plus rentable dans la plupart des cas.

Quelles sont les alternatives?

Cependant, les aciéries intégrées ne sont pas le seul endroit où l'acier est produit - 630 millions de tonnes de ferraille d'acier sont recyclé chaque année, économisant beaucoup d'énergie et 950 millions de tonnes de CO₂, ce qui est plus que les émissions annuelles de l'ensemble du secteur des transports de l'UE. Le recyclage a lieu principalement dans un four à arc électrique, où l'électricité est utilisée pour fondre et traiter la ferraille.

Mais cela dépend de grandes quantités de ferraille, et une étude de 2015 a révélé que 85% de l'acier inoxydable est déjà recyclé après sa première utilisation. Il y a peu de place pour augmenter le pourcentage de ferraille dans le nouvel acier en Europe, donc la fabrication d'acier à partir de minerai de fer sera encore nécessaire à l'avenir.

La réduction directe du minerai de fer pour former du fer est un autre procédé qui utilise moins d'énergie qu'un haut fourneau. Gaz naturel est le combustible fossile de choix pour 90% des usines utilisant cette méthode, concentrées au Moyen-Orient et en Amérique du Nord où les prix du gaz sont bas. En 2018, seulement 100.5 millions de tonnes d'acier ont été produits de cette façon - juste 5.6 % du total.

La réduction directe du minerai de fer à l'aide d'hydrogène généré par de l'électricité propre - également connue sous le nom d'hydrogène vert - puis le traitement de celui-ci dans un four à arc électrique également alimenté par de l'électricité verte, est une méthode de production acier à faible teneur en carbone. Continuer à utiliser le charbon dans les aciéries intégrées, mais capturer et non plus en utilisant ou stocker le CO₂ émis, en est une autre.

Electrolyse directe, où le minerai de fer est transformé directement en acier à l'aide d'électricité, a également un potentiel, mais il est loin d'être viable sur le plan commercial. Avec le temps qui court, la voie la plus sûre vers l'échéance de 2035 pour la décarbonisation consiste à utiliser la méthode de réduction directe à l'hydrogène dans les fours à arc électrique, ou à utiliser du charbon dans les aciéries intégrées avec captage et stockage du carbone. À l'échelle mondiale, les deux sont susceptibles de jouer un rôle.

Au Royaume-Uni, 95% des émissions de la sidérurgie proviennent de deux sites. C'est ici que la voie du pays vers un secteur de l'acier décarboné sera tranchée. Le récemment publié stratégie de décarbonation industrielle ne précise pas quelles technologies doivent être utilisées et n'exclut donc pas l'utilisation continue du charbon à coke tant que les émissions de carbone peuvent être captées et utilisées ou stockées.

Le captage du carbone est déjà une option compétitive pour décarboner des procédés industriels tels que production d'ammoniac. Mais le CO₂ se mélange avec d'autres gaz dans les émissions des aciéries, ce qui rend le processus de captage Plus difficile.

À l'échelle mondiale, il est probable que le charbon continuera d'être utilisé pour fabriquer de l'acier dans les années 2030 et au-delà, en raison de la durée de vie des usines existantes et de l'immaturité des alternatives à faible émission de carbone. Heureusement, l'utilisation du charbon dans la fabrication de l'acier d'ici 2050 serait toujours compatible avec l'accord de Paris, tant que les émissions représentaient 40% des niveaux actuels et qu'environ un tiers de celles-ci étaient captées. L'hydrogène et l'électrification feraient le reste du travail.

Il n'est pas nécessaire que l'utilisation du charbon dans la fabrication de l'acier cesse immédiatement, mais garantir que l'avenir de la sidérurgie sera sobre en carbone nécessite une action immédiate. L'utilisation continue du charbon doit s'accompagner d'améliorations radicales dans la technologie de capture et de stockage du carbone - c'est ici que l'industrie doit montrer qu'elle peut suivre le rythme.La Conversation

A propos de l'auteur

Stephen Carr, Maître de conférences en physique de l'énergie, Université du Pays de Galles du Sud

Cet article est republié de La Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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