ULCOS : révolutionner la production d'acier avec des émissions de CO₂ ultra-faibles

Sidérurgie à très faibles émissions de CO₂ – ULCOS

Le changement climatique est identifié par l'industrie sidérurgique mondiale comme un défi environnemental majeur depuis plus de deux décennies et demie. Bien avant les conclusions du GIEC en 2007, les grands producteurs d'acier ont reconnu la nécessité de solutions à long terme pour réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO₂) lors de la production d'acier.

L'industrie a été très proactive dans l'amélioration de la consommation d'énergie et la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). Le GES le plus pertinent pour l'industrie sidérurgique mondiale est le CO₂. Selon l'Association Mondiale de l'Acier (WSA), en moyenne, 1,8 tonne de CO₂ est émise par tonne d'acier produite. Selon l'AIE, en 2010, l'industrie du fer et de l'acier représentait environ 6,7 % des émissions mondiales totales de CO₂.

Limites des technologies actuelles

Les émissions de CO₂ par tonne d'acier brut sont aujourd'hui environ 50 % inférieures, ce qui a entraîné une réduction dramatique de l'impact climatique. Les meilleures usines opèrent désormais près des limites thermodynamiques des technologies actuelles. Cela signifie que les producteurs sont limités dans leur capacité à améliorer davantage l'efficacité énergétique. Avec la plupart des économies d'énergie majeures déjà réalisées, des réductions supplémentaires importantes de CO₂ ne sont pas possibles avec les technologies présentes.

La réduction supplémentaire des émissions de GES a nécessité l'introduction de technologies de rupture. Réduire les émissions au niveau requis par les politiques post-Kyoto a exigé une « pensée hors des sentiers battus » car cela posait des défis spécifiques. Aucun processus simple n'était disponible clé en main. Des changements de paradigme profonds dans la production d'acier doivent être imaginés et les technologies de rupture correspondantes conçues et développées. Les réductions demandées par les gouvernements et organisations internationales nécessitent l'invention et la mise en œuvre de technologies de production radicalement nouvelles.

Le programme ULCOS

C'est le contexte de la création du programme ULCOS (Ultra-Low CO₂ Steelmaking), une initiative coopérative européenne de R&D lancée en 2004 suite au protocole de Kyoto. ULCOS cherche des voies pour réduire drastiquement les émissions de CO₂ de la production d'acier. L'objectif clé est de rechercher des routes de processus de rupture qui pourraient, à terme, démontrer le potentiel de larges réductions de CO₂ pour la production d'acier à partir de minerai de fer. Le programme vise à réduire les émissions de CO₂ par rapport aux technologies actuelles d'au moins 50 %. Atteindre cet objectif ambitieux nécessite un changement de paradigme qui modifiera le fonctionnement des usines sidérurgiques mondiales. ULCOS fait partie d'un programme mondial de l'industrie sidérurgique pour identifier les technologies de sidérurgie au potentiel de réduction substantielle du CO₂. On y cherche à produire de l'acier de la manière la plus durable.

Les membres d'ULCOS forment un consortium de 48 entreprises et organisations européennes de 15 pays, incluant tous les grands sidérurgistes de l'UE, partenaires énergie et ingénierie, instituts de recherche et universités. Il est soutenu par la Commission Européenne. ULCOS est un programme européen, mais c'est la plus grande initiative mondiale de l'industrie sidérurgique cherchant proactivement des solutions au réchauffement climatique. L'expertise du consortium va de la sidérurgie à la production de biomasse et au stockage géologique de CO₂, incluant l'ingénierie des processus, l'économie de l'énergie et les études prospectives sur le changement climatique.

Aujourd'hui, ULCOS est la plus grande initiative mondiale de l'industrie sidérurgique cherchant proactivement des solutions au réchauffement climatique. Les partenaires financent 60 % du budget de 75 millions d'euros. La Commission Européenne contribue aux 40 % restants via ses programmes-cadres RDT et le RFCS (Fonds de Recherche Charbon Acier), mis en place pour promouvoir la recherche industrielle et le développement technologique en Europe.

Voies technologiques explorées

La technologie actuelle repose sur le charbon (majoritairement carbone), le gaz naturel (mélange carbone/hydrogène) et les fours à arc électrique à base de ferraille. Pour identifier des routes de processus pauvres en CO₂, trois grandes voies sont possibles : (i) s'éloigner du charbon (décarbonation), remplaçant le carbone par l'hydrogène ou l'électricité, via réduction à l'hydrogène ou électrolyse du minerai de fer ; (ii) introduction de technologies CSC (capture et stockage du carbone) et de carbonatation minérale ; (iii) utilisation de biomasse durable.

ULCOS est un vaste programme face aux défis complexes à long terme de l'industrie sidérurgique et de la société. Il comporte quatre étapes : (i) construction de concepts de processus, (ii) démonstration à grande échelle, (iii) expérimentation à grande échelle d'une première usine commerciale, (iv) déploiement de la technologie en Europe et dans le monde. ULCOS, initiative de recherche, s'est transformé en initiative de démonstration.

Des recherches considérables ont été menées depuis 2004. Une étude de faisabilité initiale de 4-5 ans a examiné plus de 80 technologies/concepts, utilisant modélisation et approches de laboratoire pour évaluer leur potentiel en émissions CO₂, consommation d'énergie, coûts d'exploitation et durabilité. Plusieurs concepts ont été étudiés en parallèle. Parmi eux, les grandes familles de routes de processus suivantes ont été sélectionnées pour investigation approfondie et mise à l'échelle :

• Haut fourneau à recyclage du gaz de gueulard (TGR-BF) : le gaz de gueulard passe par capture de CO₂, le gaz réducteur restant est réinjecté à la base, le fourneau fonctionnant à l'oxygène pur au lieu d'air chaud. Le flux riche en CO₂ va au stockage (CSC).
• Procédé de réduction-fusion HIsarna : basé sur la combinaison d'un cyclone chaud et d'un four de fusion, incorporant des caractéristiques du procédé HIsmelt. Utilise l'oxygène pur et génère un gaz de fourneau presque prêt pour le stockage (CSC).
• Procédé de réduction directe ULCORED : produit du DRI (fer réduit direct) dans un four à shaft, soit à partir de gaz naturel, soit de gaz de gazéification du charbon. Le gaz de sortie du shaft est recyclé après capture du CO₂, qui sort en flux concentré vers le stockage (CSC).
• Deux variantes d'électrolyse : ULCOWIN et ULCOLYSIS. ULCOWIN opère légèrement au-dessus de 100 °C en solution alcaline aqueuse avec de fins grains de minerai (électro-gainage). ULCOLYSIS opère à température de sidérurgie avec un électrolyte de sel fondu constitué d'un laitier (électrolyse pyrométallurgique).
• Deux options supplémentaires : utilisation d'hydrogène pour réduction directe quand disponible sans empreinte carbone ; utilisation de biomasse durable, première incarnation : charbon de bois de plantations d'eucalyptus durables en zones tropicales.

L'utilisation du CSC et de la carbonatation minérale dans les nouvelles technologies ULCOS a été évaluée. Le CSC a été identifié dès le début comme une solution puissante. Pour la carbonatation minérale, elle ne peut résulter que dans des réductions modérées, bien qu'importantes, des émissions globales.

Processus en examen et développement

Fig. 1 Processus en examen et développement sous le programme ULCOS

ULCOS a maintenant sélectionné quatre concepts de processus – testés expérimentalement – qui pourraient réduire les émissions de CO₂ de plus de moitié par rapport aux meilleures pratiques actuelles. Ces concepts sont mis en œuvre dans des usines sidérurgiques en fonctionnement dans la seconde phase du projet. Les résultats de la phase 2 pourraient être déployés en usines de production dans 15 à 20 ans. Les concepts sélectionnés : (i) réingénierie du haut fourneau pour intégrer le CSC au cœur du processus, (ii) réduction-fusion avec capacités CSC, (iii) utilisation massive de gaz naturel avec technologies plus pauvres en CO₂ qu'aujourd'hui, (iv) sidérurgie à l'hydrogène et électrolyse du minerai de fer.

Perspectives par technologie

TGR-BF : solution la plus prometteuse à court terme, les HF existants pouvant être rétrofités. Cela maîtrise les dépenses en capital importantes pour basculer vers les technologies de rupture. Le principe du processus apporte des économies d'énergie car la capture du CO₂ et le recyclage du gaz purifié déplacent les équilibres chimiques à haute température (réaction de Boudouard) et utilisent le coke et le charbon avec une efficacité plus grande qu'en exploitation conventionnelle. Cela compense partiellement les coûts supplémentaires de capture et stockage. Le concept appliqué est la capture de CO₂ en cours de processus, avec exploitation à l'oxygène. La partie oxygène ressemble à l'oxy-combustion mais n'est pas identique. La partie recyclage est originale et est la raison clé des économies d'énergie et de la réduction des coûts d'exploitation. Ce concept a été testé sur un HF de laboratoire à grande échelle à Luleå, Suède, avec un résultat positif.

ULCORED : option attractive là où le gaz naturel est disponible. Le concept est similaire au TGR-BF (oxygène pur, recyclage en cours de processus du gaz de tête de shaft) avec des caractéristiques additionnelles comme une série de réacteurs de conversion dans la boucle de recyclage. Pour valider ce concept, un pilote d'une tonne/heure est prévu à Luleå par LKAB, partenaire ULCOS.

HIsarna : option disponible dans les années à venir pour nouvelles usines (greenfield). Différent du TGR-BF et ULCORED car sans boucle de recyclage du gaz. Le gaz du four de fusion est oxydé au niveau du cyclone, où une réduction est réalisée avec combustion pour préchauffer et fondre le minerai. Il y a un écoulement contre-courant du gaz contre le flux de fer, où son énergie chimique est fully épuisée. Un pilote de 8 t/h a été érigé et testé dans le programme ULCOS. Démarré avril 2011, première campagne du 18 avril au 11 juin 2011 avec quatre démarrages (le premier infructueux, les trois autres réussis). Taux d'injection atteint : 60 % de la capacité. Données disponibles montrent un fonctionnement conforme aux attentes, mais plus d'heures de fonctionnement nécessaires pour confirmer. Deuxième campagne : 16 octobre à fin novembre 2012.

Électrolyse : développées depuis zéro dans ULCOS, encore à l'échelle laboratoire. Promettent zéro émission si électricité verte disponible, mais 10 à 20 ans pour échelle commerciale. ULCOWIN : électrolyse alcaline du minerai. L'électrolyse est courante pour d'autres métaux et demande beaucoup d'électricité. Dépendrait d'une source d'électricité pauvre en CO₂ (hydroélectrique, nucléaire). ULCOLYSIS : électrolyse d'oxyde fondu. Courant électrique à travers laitier fondu chargé en oxyde de fer. L'oxyde se décompose en fer liquide et oxygène gazeux. Pas de CO₂ produit. Émissions réduites avec électricité pauvre en CO₂.

Sidérurgie à l'hydrogène : réduction du fer à haute température (> 1300 °C) et temps de réaction très courts. Pas d'émission de CO₂ mais production d'hydrogène nécessitant beaucoup d'électricité pauvre en CO₂. Peut aussi fonctionner sur combustibles pauvres en CO₂ comme gaz naturel.

La sidérurgie à l'hydrogène dépend fortement de la disponibilité d'hydrogène vert, tandis que l'utilisation de charbon de bois, loin des pays producteurs, exigerait une logistique complexe incluant infrastructures lourdes sur plusieurs continents.

Défis et perspectives

ULCOS est une initiative à long terme de l'industrie sidérurgique. Pleine de promesses mais aussi de risques et pièges, situation probablement similaire à d'autres secteurs. Les risques sont liés à la complexité, exigeant développement et mise en œuvre de technologies de rupture sous contraintes de temps très courtes. Patience, soutien, sincérité et détermination continue sont nécessaires pour que ce programme devienne une initiative réussie atteignant la plupart des objectifs visés.