Optimisation de l'efficacité énergétique dans la production de fer et d'acier

Ces dernières années, le besoin d'une utilisation plus rationnelle et efficace de l'énergie est apparu comme une question stratégique et urgente. Une telle nécessité est particulièrement perçue dans la production de fer et d'acier, non seulement en raison de l'augmentation des coûts de l'énergie, mais aussi en conséquence de la concurrence, qui met en évidence certaines caractéristiques du processus et de ses produits finaux (par exemple, coût et qualité). De plus, l'utilisation rationnelle de la ressource énergétique peut être considérée comme une question à double facette, un premier aspect étant lié à la prise de conscience de la disponibilité limitée de l'énergie, considérée comme une source, et le second étant représenté par une appréciation mature des coûts supportés pour se procurer de l'énergie.

Contexte mondial

À l'échelle mondiale, la consommation d'énergie en constante augmentation a marché main dans la main avec des préoccupations croissantes sur sa conservation. En plus d'être coûteuse et sujette à de soudaines fluctuations de prix, l'écrasante majorité des sources d'énergie sont non renouvelables. Par conséquent, la conservation de l'énergie est considérée comme vitale non seulement pour éviter le gaspillage d'une ressource précieuse, mais aussi pour ralentir l'épuisement rapide des ressources de charbon, de pétrole et de gaz naturel. Cependant, avec le mouvement environnemental gagnant du terrain au cours des 30 dernières années, les ramifications de l'utilisation non durable de l'énergie ne sont plus confinées à l'économie seule. Comme la majeure partie des émissions de gaz à effet de serre (GES) sont le résultat de la combustion de combustibles fossiles, la conservation de l'énergie est aujourd'hui intrinsèquement liée à la question climatique. Comme l'arrêt de l'utilisation des combustibles fossiles n'est pas une option sans la viabilité de sources alternatives, la seule façon de réduire l'utilisation d'énergie et de gérer les émissions est donc de maximiser son efficacité.

Puisque l'industrie du fer et de l'acier présente l'un des secteurs les plus intensifs en énergie au sein de l'économie de tout pays, elle est donc d'un intérêt particulier dans le contexte des discussions environnementales locales et mondiales.

Le profil de l'efficacité énergétique a augmenté récemment, en raison des préoccupations accrues sur les impacts environnementaux locaux et mondiaux de l'utilisation de l'énergie. Les défis à la sécurité énergétique ont également mis l'efficacité énergétique au premier plan, car ils contribuent directement à la réduction de l'utilisation de l'énergie.

L'efficacité énergétique dans la production de fer et d'acier est cruciale pour assurer la réduction du coût de production, la compétitivité des produits sidérurgiques et pour minimiser les impacts environnementaux, tels que les émissions de GES. La majeure partie de l'apport énergétique dans une usine sidérurgique intégrée provient du carburant et de l'électricité. L'énergie du carburant provient principalement de combustible solide (principalement charbon) et seule une petite entrée provient de combustibles liquides et gazeux. Le carburant dans la production de fer et d'acier est utilisé pour fournir de l'énergie thermique. Il est également utilisé comme réducteur pour réduire le minerai de fer pour produire du fer. L'énergie électrique est utilisée pour répondre aux besoins du processus, faire fonctionner les moteurs et l'éclairage des installations.

Historique du concept d'efficacité énergétique

La personne qui a donné forme pour la première fois à l'idée d'efficacité énergétique était le physicien américain et militant environnemental Amory Lovins. Ébranlé par la crise pétrolière de 1973, Lovins a postulé et popularisé le concept de « néga-watts  », un système pour répondre aux besoins énergétiques non pas en exploitant de plus grandes quantités d'énergie, mais en augmentant l'efficacité des quantités existantes. En d'autres termes, pour utiliser une expression américaine, « en avoir le plus pour son argent  ». Depuis lors, tout le monde dans le monde travaille à affiner la technologie existante ou à concevoir des solutions complètement nouvelles qui maximisent la valeur dérivée de chaque unité d'énergie. Ces efforts ont été aidés par le soutien de personnes en position d'autorité, qui ont créé un environnement propice à la motivation d'utiliser l'énergie efficacement.

Consommation d'énergie dans la sidérurgie

La production de fer et d'acier est intensive en énergie. C'est le plus grand consommateur d'énergie parmi tous les secteurs industriels. C'est aussi le plus grand émetteur d'émissions de CO₂. Elle constitue une portion significative du coût de la production d'acier. Le coût de l'énergie en pourcentage du coût total se situe dans la plage de 20 % à 40 % selon la route de production, le type de minerai de fer et de charbon utilisé, le mélange de produits sidérurgiques, la technologie de contrôle des opérations et l'efficacité des matériaux.

Les sources primaires d'énergie utilisées dans la production de fer et d'acier englobent le charbon de cokéfaction, le charbon non cokéfiable, les huiles combustibles liquides et l'électricité. Partout où le gaz naturel est disponible, il est utilisé dans la production de fer. Des divers types de sources primaires d'énergie, le charbon de cokéfaction détient la part majeure de l'énergie utilisée (65 % à 80 %). Alors que le charbon de cokéfaction, le charbon non cokéfiable et les huiles combustibles liquides sont principalement utilisés dans les usines sidérurgiques intégrées, l'électricité présente de loin l'apport majeur pour la sidérurgie dans les mini-usines utilisant des fours à arc électrique ou des fours à induction.

L'intensité énergétique est mesurée en termes physiques comme consommation d'énergie spécifique par unité de production (CES).

La consommation d'énergie spécifique (CES) est définie comme suit. La CES est mesurée en GJ/tonne de produit.

CES = Énergie utilisée / produit produit = (Énergie importée – Énergie exportée) / produit produit

Les processus industriels utilisent souvent l'énergie sous différentes formes, telles que combustibles, vapeur et électricité, et la CES de ce type de processus est calculée comme suit :

CES = E (combustibles) + E (vapeur) + E (électricité) / produit produit

Où E (combustibles) est la consommation de combustibles, E (vapeur) est la consommation de vapeur et E (électricité) est la consommation d'électricité du processus.

Dans la plupart des cas, la CES est comparée avec les meilleures pratiques pour déterminer le pourcentage de réduction d'énergie par unité de production qui pourrait être atteint en adoptant les meilleures pratiques. La CES pour la production de fer et d'acier a considérablement diminué ces dernières années. Aujourd'hui, la CES dans les usines efficaces sur le plan énergétique dans le monde utilisant la route haut fourneau – four à oxygène basique, varie de 17 GJ/tonne d'acier brut à 23 GJ/tonne d'acier brut. Dans les usines pas si efficaces, elle se situe dans la plage de 25 GJ/tonne d'acier brut à 34 GJ/tonne d'acier brut.

Cette variation de CES est influencée par/dépend de la qualité du minerai de fer et du charbon, du grade d'acier et de l'efficacité des matériaux. La route du four à foyer ouvert est plus intensive en énergie et moins productive. Actuellement, seule une très petite capacité est encore en usage en raison du remplacement de cette technologie par la technologie BOF. La route de production d'acier utilisant le four à arc électrique ne nécessite pas de cokerie ou d'usine de sinter mais de la ferraille d'acier recyclée. L'intensité énergétique de cette route varie de 9,1 à 12,5 GJ par tonne d'acier brut où l'entrée n'est que la ferraille d'acier.

Une autre façon de produire de l'acier brut est de réduire directement le minerai de fer pour produire du fer réduit direct (FRD). L'intensité énergétique moyenne est typiquement entre 28,3 et 30,9 GJ par tonne d'acier brut. Cette technologie utilise principalement du gaz naturel ou du charbon non cokéfiable. Ces jours-ci, il y a un intérêt considérable dans le monde pour produire du FRD en utilisant du gaz de schiste dans les zones où il est disponible en abondance.

La CES typique et les émissions spécifiques de CO₂ des différents ateliers dans les usines de fer et d'acier en Europe est donnée dans le Tableau 1.

Tableau 1 CES typique et émissions spécifiques de CO₂ pour la production de fer et d'acier en Europe
Unités de l'usine sidérurgique	Énergie primaire	Énergie directe	Émissions totales de CO₂	Émissions directes de CO₂
GJ/tonne	GJ/tonne	tonnes CO₂/tonne	tonnes CO₂/tonne
Cokerie et sous-produits	6,827	6,539	0,824	0,794
Usine de sinter	1,730	1,549	0,211	0,200
Usine de pellets	1,204	0,901	0,075	0,057
Haut fourneau	12,989	12,309	1,279	1,219
Four à oxygène basique	-0,253	-0,853	0,202	0,181
Four à arc électrique	6,181	2,505	0,240	0,240
Laminoir à blumes, brames et billettes	2,501	1,783	0,125	0,088
Train à bandes à chaud	2,411	1,700	0,120	0,082
Laminoir à tôles	2,642	1,905	0,133	0,098
Laminoir à profilés	2,544	1,828	0,127	0,084
Ligne de décapage	0,338	0,222	0,016	0,004
Laminoir à froid	1,727	0,743	0,075	0,008
Recuit	1,356	1,086	0,070	0,049
Ligne de revêtement à chaud	2,108	1,491	0,104	0,059
Ligne de revêtement électrolytique	4,469	2,619	0,208	0,046
Ligne de revêtement organique	1,594	0,758	0,074	0,003
Centrale électrique	12,173	12,173	1,989	1,989

Flux d'énergie et utilisation des gaz de processus dans les usines sidérurgiques intégrées

L'interdépendance énergétique dans une usine sidérurgique intégrée est assez complexe. La Fig 1 illustre un exemple typique des flux d'entrée et de sortie de différents types d'énergie et d'agents réducteurs ainsi que le flux d'énergie interne d'une usine sidérurgique intégrée japonaise.

Fig 1 Exemple de flux d'énergie typique dans une usine sidérurgique intégrée japonaise

Les entrées dominantes habituelles sont le charbon, le fioul et, si acheté d'une source externe, le coke. Ces entrées sont principalement utilisées pour la production de coke dans l'usine de cokerie et comme agents réducteurs dans le haut fourneau. Il est courant d'utiliser des agents réducteurs alternatifs dans le haut fourneau, tels que le charbon, le goudron de houille ou l'huile qui sont injectés dans le haut fourneau au niveau des tuyères. Des huiles usagées, des graisses, divers gaz (par ex. gaz de cokerie) et autres hydrocarbures, tels que les déchets plastiques, peuvent également être injectés.

La qualité (pouvoir calorifique et propreté) et le volume des différents gaz varient considérablement et ces facteurs ont un impact sur l'endroit où les combustibles peuvent être utilisés utilement. Pour optimiser l'efficacité énergétique, il est nécessaire que chaque gaz combustible soit consommé à l'usine la plus appropriée. La gestion de l'énergie joue un rôle important à cet égard. La tâche principale de la gestion de l'énergie est la distribution et l'utilisation efficaces des gaz de processus et des combustibles achetés. Une bonne disposition d'usine peut faciliter davantage cette tâche.

Le gaz de cokerie (GDC), le gaz de haut fourneau (GHF) et le gaz de four à oxygène basique (GFOB) constituent la base du système énergétique dans une sidérurgie intégrée. La majeure partie de la demande énergétique est satisfaite par ces gaz ; la partie restante doit être équilibrée avec l'énergie achetée, normalement l'énergie électrique et d'autres combustibles comme le fioul.

Les potentiels d'amélioration de l'efficacité énergétique se construisent dans une large mesure sur les changements en cours dans le secteur du fer et de l'acier. Ils découlent de l'amélioration des facteurs d'entrée, de la conversion technologique et de la modernisation ainsi que du recyclage et de la récupération de chaleur perdue. Le potentiel dans la récupération de chaleur perdue, par exemple, est immense. Actuellement, plus de 50 % de l'énergie est perdue dans de nombreuses usines sidérurgiques. Les pertes se produisent sous forme de gaz d'échappement et de sous-produits gazeux qui n'ont pas pu être utilisés pour la production d'électricité ou la production de vapeur à basse chaleur.

Bien que la plupart des mesures pour l'amélioration de l'efficacité énergétique soient rentables et fournissent des avantages nets dans une certaine période, seules quelques mesures ont été ou sont actuellement mises en œuvre dans de nombreuses usines de fer et d'acier. Les obstacles à l'amélioration de l'efficacité énergétique sont principalement la disponibilité du capital dans ces usines de fer et d'acier.

Amélioration de la CES

L'amélioration de la CES est obtenue par les moyens suivants :

• En améliorant l'efficacité énergétique du processus
• En sélectionnant les bons matériaux d'entrée du processus
• En réduisant ou en colmatant les pertes d'énergie du processus
• En récupérant la chaleur perdue du processus
• En améliorant la surveillance de la consommation d'énergie à travers le système de gestion de l'énergie.

Les domaines d'amélioration sont identifiés par des audits énergétiques appropriés. Les audits peuvent être faits soit en interne, soit par des agences externes qualifiées. Les domaines d'amélioration doivent être classés en trois catégories :

• Court terme – Ce sont les éléments d'amélioration qui peuvent être mis en œuvre avec pratiquement aucun investissement ou très peu d'investissement. Ce sont généralement des améliorations de processus, une surveillance améliorée, le recyclage des déchets et des améliorations dans les intrants de processus, etc.
• Moyen terme – Ces améliorations nécessitent l'ajout/remplacement de certains équipements/instruments qui ont une période de retour très rapide.
• Long terme – Ces améliorations nécessitent un investissement substantiel et peuvent impliquer la mise au rebut de l'ancien équipement/processus.

Pour la mise en œuvre de l'une des améliorations ci-dessus, le soutien de la direction est un ingrédient essentiel. Sans le soutien de la direction, le programme d'amélioration de l'efficacité énergétique ne peut pas réussir.