Décarbonation de la Production d'Acier par l'Hydrogène : Vers une Industrie Durable

Hydrogène et Décarbonation de la Production d'Acier

Les principaux moteurs d'un avenir énergétique durable tournent autour de la nécessité de : (i) réduire les émissions mondiales de dioxyde de carbone (CO₂) et améliorer la qualité de l'air, (ii) assurer la sécurité de l'approvisionnement énergétique et évoluer vers des ressources énergétiques durables, (iii) créer une nouvelle base industrielle et technologique énergétique, cruciale pour l'économie future. Toutes les évaluations modernes des futurs énergétiques mondiaux considèrent que la croissance de la demande sera satisfaite de plus en plus par un mix énergétique diversifié incluant sources renouvelables ou durables.

La croissance des préoccupations environnementales tangibles fournit une force motrice majeure vers le développement énergétique durable. En tête : rejet et accumulation dans l'atmosphère de CO₂ et autres gaz modifiant le climat. Ces émissions sont maintenant indiscutablement bien au-dessus des niveaux préindustriels et jugées responsables de l'élévation de la température globale moyenne par l'effet de serre (GES). Sans réductions drastiques du CO₂ rejeté par diverses activités, conséquences potentiellement désastreuses pour le climat mondial. Ces préoccupations transforment indubitablement l'évaluation et l'utilisation de l'énergie et de ses vecteurs, déplaçant l'équilibre de la base hydrocarbure traditionnelle vers sources renouvelables/durables.

L'hydrogène est un carburant alternatif attractif. Mais contrairement au charbon, gaz ou pétrole, ce n'est pas une source d'énergie primaire. Son rôle ressemble davantage à l'électricité comme « vecteur énergétique » secondaire : d'abord produit en utilisant énergie d'une autre source, puis transporté pour usage futur où son énergie chimique latente peut être pleinement réalisée.

L'hydrogène promet un avenir énergétique mondial véritablement durable. L'intérêt pour l'hydrogène comme vecteur de services énergétiques grandit ces dernières années face aux préoccupations croissantes sur l'impact environnemental de l'utilisation énergétique et soucis sur la sécurité des approvisionnements fossiles. L'hydrogène est un vecteur énergétique bien connu, polyvalent et propre, largement utilisé dans l'industrie. La plupart des technologies liées à l'hydrogène ont une longue histoire. Le bilan industriel utilisant l'hydrogène et son usage actuel pour plusieurs applications démontrent sa sécurité. L'hydrogène offre plusieurs options production, distribution, usage. Son usage actuel peut être étendu en sécurité à d'autres usages.

Potentiel de l'Hydrogène comme Vecteur Énergétique

L'hydrogène peut en principe remplacer toutes les formes d'énergie finale utilisées aujourd'hui. Il peut fournir des services énergétiques à tous les secteurs économiques. Avantages environnementaux potentiels sur combustibles fossiles. Au point d'usage, l'hydrogène peut être brûlé sans émissions nocives. Si produit sans émettre CO₂, base système énergétique véritablement durable = économie de l'hydrogène.

L'hydrogène a connu cycles attentes élevées suivies réalités impraticables. Baisse prix énergies renouvelables + exigences réglementaires strictes changement climatique → changement paradigme actuel économie carbone → économie hydrogène mondial. Mais transition économie hydrogène pas du jour au lendemain : stratégie dédiée et efforts nécessaires.

Hydrogène = premier élément tableau périodique. Plus léger, plus abondant, un des plus anciens éléments chimiques univers. Sur Terre : molécules complexes (eau, hydrocarbures). Pour usage forme pure : extraction nécessaire. Flamme hydrogène = incolore, inodore. Ajout colorants/odorants nécessaire pour visibilité/détection. Molécule plus petite que gaz naturel → fuites plus faciles. Caractéristique problématique : fuite hydrogène → accumulation concentration espace confiné.

L'hydrogène peut jouer rôle crucial décarbonation industrielle mondiale. Situation actuelle : économie hydrogène = priorité. Zéro émission nette CO₂ = élimination complète combustibles fossiles. Impact climatique hydrogène dépend ENTIÈREMENT de sa production. Contrôle changement climatique : hydrogène par électrolyse eau alimentée énergie renouvelable = indispensable neutralité climatique. Mais transition économie hydrogène = investissements massifs nouvelles infrastructures production, transport, stockage, livraison hydrogène utilisateurs finaux.

Consensus croissant : cible zéro émission nette 2050 pour limiter hausse température mondiale 1,5°C au-dessus niveaux préindustriels. Pour y parvenir : remplacer combustibles fossiles couvrant 4/5 besoins énergétiques mondiaux. Pour limiter hausse 1,5°C réchauffement : hydrogène vecteur énergie = rôle central. Rôle comparable à charbon, pétrole, gaz économie carbone. Procédés industriels production acier, ciment, verre, chimie = besoin chaleur haute température. Actuellement : chaleur = combustion combustibles fossiles. Secteurs industriels difficiles à décarboner : essentiellement PAS de voie zéro émission nette à l'échelle nécessaire SANS hydrogène.

Échec décarbonation économie = option non disponible. Long terme : hydrogène + électricité renouvelable = capacités solution décarboner secteurs difficiles (ex: secteur acier). Mais défis multiples à surmonter.

Hydrogène = produit chimique basique polyvalent : usage source énergie ET matière première procédés industriels (ammoniac engrais, raffinage, agroalimentaire, électronique, verre, métallurgie). Mais usage source énergie = importance majeure décarbonation économie. Nouvelles preuves : hydrogène rôle important potentiel réduction émissions chaleur industrielle, surtout où flamme (gaz combustion subséquents) doit contact direct matériau/produit fabriqué (ex: fours, fours à chaux).

Caractéristiques utiles hydrogène : production façons bas-carbone multiples ; usage (combustion ou réaction électrochimique pile combustible) = pas émissions GES. Pile combustible : pas émissions polluants air (seul sous-produit = eau). Amélioration significative qualité air vs combustibles fossiles déplacés.

Combustion hydrogène = températures élevées → remplacement combustibles fossiles où chaleur haute température nécessaire (ex: applications industrielles). Mais hydrogène brûle plus chaud → oxydes azote (NOx), polluant nocif, peut être problème.

Bien que moins dense énergétiquement que combustibles fossiles, compressé = densité énergétique significative. Stockage grands volumes, quantités durent mois pas heures/jours. Gaz compressible → livraison débit élevé par pipelines.

Hydrogène vecteur énergie = similarités électricité. Les deux = générés, pas forme utile extractable comme combustibles fossiles. Production façons bas-carbone multiples : électrolyse électricité bas-carbone OU capture/stockage/utilisation carbone (CCS/U) combinée gazéification/réformation hydrocarbures (biomasse, gaz naturel).

Stockage/distribution hydrogène : plusieurs façons. Hydrogène = haute densité énergétique gravimétrique. Options transport comparables vecteurs fossiles : transport camion gaz/liquéfié, transport navire, pompage hydrogène gazeux pipelines. Injection réseau gaz naturel existant possible, important période transition. Options stockage multiples, certaines stade développement.

Transition vers méthodes production hydrogène durables procédés industriels dépend reconnaissance croissante carburants verts + prix adapté produits industriels verts, matérialisable par prix carbone adéquat + cadre réglementaire. Usage hydrogène vert procédés industriels = avantage contribution demande hydrogène grande échelle → baisse coûts production → impact positif autres secteurs (mobilité).

Production d'Hydrogène : Voies et Défis

Hydrogène = pas source énergie mais vecteur. À produire et stocker avant usage. Molécule H₂ stockant énergie la restaure par combustion ou pile combustible. Combustion 1 kg hydrogène = 3x énergie 1 kg essence, produit seulement eau. Pile combustible : énergie chimique H₂+O₂ → électricité par réactions redox. Déchet = eau.

Impact réduction CO₂ hydrogène = combinaison empreinte CO₂ production + émissions activité usage hydrogène. Émissions CO₂ production hydrogène liées technologie + structure réseau électricité alimentant processus. Décarbonation production hydrogène actuelle = défi, mais impact positif émissions CO₂ + rôle important réalisation baisses coûts. Coût production hydrogène électrolyse renouvelables = baisse attendue.

Deux catégories procédés production : (1) extraction hydrogène eau par électricité (électrolyse), (2) exploitation combustibles fossiles source énergie et/ou hydrogène. Extraction avec/depuis combustible fossile (gaz naturel, pétrole, charbon) : émissions CO₂ ancrées réaction chimique catalysée. Électricité électrolyse : émissions associées = intensité CO₂ source électricité.

Source énergie + méthode production définissent hydrogène gris, bleu, vert (codes couleur informels). Actuellement ~96% hydrogène produit combustibles fossiles procédés intensifs carbone = hydrogène GRIS. Deux procédés principaux : reformage méthane vapeur + gazéification charbon. Si CO₂ émis pendant production par ces deux procédés séquestré par CCS/U → hydrogène BLEU. CCS/U actifs hydrogène : taux capture jusqu'à 90% → voie efficace perspective GES.

Hydrogène faible/zéro émission par électrolyse électricité ressources renouvelables = hydrogène VERT. Autre code : hydrogène électrolyseurs alimentés électricité centrales nucléaires = hydrogène JAUNE (ou VIOLET). Production hydrogène électrolyse eau = minimale actuellement (besoin grosses quantités électricité coûteuse). Technologie = normalement seulement hydrogène très haute pureté.

Problème supplémentaire électrolyse : consommation eau. Eau pure = 10-15 litres/kg hydrogène sortie, eau déionisée nécessaire. Absence sources eau douce : options dessalement eau mer ou récupération eaux usées.

Trois voies principales hydrogène zéro émission : (i) reformage méthane vapeur (SMR) biogaz ou combiné CCS/U, (ii) électrolyse électricité renouvelables, (iii) gazéification biomasse. SMR et électrolyse = technologies matures. Gazéification biomasse et SMR+CCS/U = encore développement. Actuellement ~toute production = reformage combustibles fossiles (voie la plus économique).

Voies hydrogène bleu : consommation eau = aspect souvent négligé. Voies bleu consomment eau significative, parfois > électrolyse. Comparaison eau incorporée cycle de vie : consommation eau/kg hydrogène jusqu'à 24L SMR, 38L gazéification charbon.

Voie additionnelle parfois appelée hydrogène TURQUOISE (bleu-vert) = encore stade TRL (niveau maturité technologique). Pyrolyse méthane. Solutions technologiques différentes développement plusieurs sites mondiaux. Gaz naturel = matière première, consommation énergie = électricité (présumée bas-carbone). Méthane scindé haute température → hydrogène + carbone solide (carbon black). Figure 1 : identification voies génération hydrogène avec représentation couleurs.

Fig 1 Identification des voies de génération d'hydrogène avec représentation par couleurs

Électrolyse eau : électrolyseurs alcalins = état de l'art. Autres en développement : technologies membrane échange protons (PEM) = phase démonstration, électrolyseurs oxyde solide = R&D. Électrolyseurs PEM : avantages consommation énergie comparable : pressions sortie plus élevées, meilleure plage charge partielle, démarrage/variations charge plus rapides.

Actuellement hydrogène quasi entièrement gaz naturel/charbon. Déployé échelle industrielle mondial, mais production = émissions CO₂ annuelles. Production hydrogène bas-carbone = coûteuse. Hydrogène vert = gaz cher actuellement. Mais coût production hydrogène électricité renouvelable = chute rapide.

Production hydrogène électrolyse renouvelables « surplus » et/ou nucléaire = alternative rentable, mais taille opportunité faible vs demandes potentielles hydrogène. Production hydrogène bulk électrolyse = actuellement bien plus chère + taux construction capacités production électricité extrêmement difficiles. Hydrogène vert électricité renouvelable = croissance rapide projetée années à venir. Nombreux projets en cours/planifiés pointent cette direction.

Hydrogène vert énergie renouvelable = techniquement viable + approche rapide compétitivité économique. Intérêt croissant option approvisionnement = coûts décroissants énergie renouvelable + défis intégration systèmes parts croissantes énergie renouvelable variable. Focus actuel : déploiement et learning-by-doing pour réduire coûts électrolyseurs et logistique chaîne approvisionnement.

Trois paramètres cruciaux viabilité économique hydrogène renouvelables : (i) CAPEX électrolyseur, (ii) coût électricité renouvelable processus (LCOE - coût actualisé électricité) et heures fonctionnement (facteur charge) base annuelle. Plus facteur charge électrolyseur élevé, moins cher coût unitaire hydrogène (investissements fixes dilués par plus grande production). Facteur charge électrolyseur normalement >50% niveaux coûts investissement actuels, mais coûts hydrogène quasi optimaux atteints >35%. Capacité électrolyseurs hydrogène vert = croissance exponentielle dernières années.

Montée en puissance (scaling up) électrolyseurs = très rapide. Échelle MW → GW, technologie continue évoluer. Progrès graduel, pas percées radicales attendues. Coût électrolyseurs projeté divisé par 2 d'ici 2040-2050, coûts électricité renouvelable aussi baisse attendue. Hydrogène renouvelable = bientôt option approvisionnement hydrogène propre la moins chère pour nombreuses applications greenfield.

Transition énergétique mondiale décarbonation majeure maintenant-2050 : remplacer production électricité actuelle 24 000 TWh par renouvelables. Croissance population + amélioration niveau vie → besoin additionnel 23 000 TWh renouvelables. Consommation électricité mondiale = doubler prochaines 30 ans SANS hydrogène. Développer économie hydrogène vert = besoin 20 000 TWh supplémentaires. Défi majeur basculement économie hydrogène.

Stockage hydrogène = avantages perspective approvisionnement/prix électricité, mais pas critique concept procédé. Aujourd'hui : alternative plus rentable stockage hydrogène = stockage pressurisé souterrain (formations sel = plus rentable). Technologie testée échelle industrielle. Solutions attirant intérêt : pipelines gaz naturel + conversion ammoniac/hydrocarbures stockage intermédiaire hydrogène. Évaluation initiale technologie LRC (Lined Rock Cavern) Suède gaz naturel = prometteuse aussi. Autres méthodes développement : stockage hydrures métalliques, matériaux poreux.

Investissements hydrogène = horizon long 10-20 ans. Surtout premières années : investissements infrastructures avant demande consommateurs augmente. Manque cibles claires contraignantes réduction émissions ou stimuli secteurs spécifiques → décourage investisseurs potentiels risque long terme.

Demande prédominante hydrogène aujourd'hui = matière première industrielle. Mais hydrogène ces processus = pas sources bas-carbone. Applications futures chauffage industriel majeures = production acier (actuellement industrie acier utilise charbon). Consommation stœchiométrique hydrogène réduction hématite (Fe₂O₃) = 54 kg/tonne fer. Usine 1 million tonnes/an acier base réduction hydrogène = capacité usine hydrogène ~70 000 m³ NTP (température/pression standard) hydrogène/heure.

Décarbonation de la Sidérurgie : Deux Voies

Basculement industrie acier charbon → hydrogène = pas seulement défi technologique/financier. Peut impacter organisation industrie acier niveau national, régional, global. Historiquement, accès facile charbon = aspect important localisation usines acier. Usines souvent près gisements charbon nationaux, ou près ports pour charbon importé.

Usage hydrogène production acier = technologie stade développement. Objectif : remplacer procédé four à oxygène basique (BOF - Blast Oxygen Furnace), technologie prédominante production primaire acier utilisant coke comme source chaleur ET réducteur oxygène minerai fer, par procédé réduction directe fer (DRI - Direct Reduction of Iron) où hydrogène = source chaleur ET agent réducteur.

Idée hydrogène agent réducteur = liée changement climatique. Décarbonation ferrage = remplacer carbone/monoxyde carbone réaction réduction par autre gaz menant émissions carbone inférieures/nulles. Gaz = méthane OU hydrogène. Méthane (CH₄), composé carbone+hydrogène → réduction partielle CO₂ remplacées vapeur eau (H₂O) mais PAS complètement. Hydrogène = décarbonation COMPLÈTE procédé (seul sous-produit chimique = vapeur eau).

Deux alternatives techniquement bien comprises. Méthane = composant principal gaz naturel → grandes quantités disponibles. Déjà usage limité production acier, mais usage plus large = décarbonation partielle. Hydrogène = décarbonation COMPLÈTE procédés acier. Mais hydrogène = quantités limitées produites, usage production acier = encore affinement nécessaire production échelle industrielle.

Deux défis majeurs décarbonation production acier : (i) optimiser et monter en échelle voie hydrogène production fer/acier par usines pilotes, (ii) monter en échelle production hydrogène, quantités plus grandes, coût lower, efficacité higher. Tôt ou tard, basculement hydrogène production acier = nouvelles installations production hydrogène échelle sans précédent. Succès efforts acier base hydrogène = DÉPEND CRUCIALEMENT rendre grandes quantités hydrogène disponibles largement au coût le plus bas possible.

Deux Voies d'Usage Hydrogène Vert Production Acier

Voie 1 : Hydrogène comme matériau injection alternatif PCI (injection charbon pulvérisé) pour améliorer performance HF conventionnels. Usage PCI courant, mais premières usines pilotes injection hydrogène récemment installées évaluer potentiel décarbonation. Injection hydrogène vert HF = réduction émissions carbone jusqu'à 20%, MAIS PAS production acier neutre carbone car coke nécessité agent réducteur HF.

Voie 2 : Hydrogène comme réducteur alternatif produire DRI → acier via FAE (four arc électrique). Hydrogène réducteur = libère seulement eau (pas émissions carbone). DRI/FAE = procédé production prouvé actuellement gaz naturel réducteur. Mais réduction directe = possible hydrogène. Basé hydrogène vert + électricité renouvelable éolien/solaire/hydraulique, installation DRI/FAE = production acier quasi neutre carbone. Organisations suédoises/allemandes expérimentent « acier vert » chauffé hydrogène propre, premier essai réussi 2020 Suède.

DRI base hydrogène vert + ferraille + FAE = remplace combustibles fossiles étape production DRI par hydrogène énergie renouvelable. Méthode production techniquement prouvée = production acier quasi sans émissions. Tous grands acteurs acier européens = construction/test processus production acier base hydrogène (soit hydrogène remplacement PCI, soit réduction directe base hydrogène).

Mais besoins capitaux installation production acier hydrogène pur (DRI+FAE) + transport/stockage hydrogène requis = très significatifs. Figure 2 : flowsheet typique processus réduction directe hydrogène.

Fig 2 Flowsheet typique du processus de réduction directe par hydrogène

Technologie HYBRIT : Percée Suédoise

Réduction directe fer = actuellement ~8% production fer mondiale. Actuellement réduction directe = gaz réducteur gaz naturel/charbon. 2016 : 3 entreprises suédoises (SSAB, LKAB, Vattenfall AB) annoncent plans développer méthode décarboner production fer « réduction directe » par hydrogène gaz réducteur. Concept = Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (HYBRIT). HYBRIT = hydrogène seul gaz réducteur → sous-produit eau au lieu CO₂. « Fer réduit direct » (DRI) → acier via four arc électrique, même façon DRI traditionnel. Figure 3 : flowsheet principe HYBRIT.

Fig 3 Flowsheet de principe du procédé HYBRIT

Caractéristiques principales HYBRIT : (i) pas combustibles fossiles production pelletes, (ii) hydrogène produit électrolyse électricité sans fossile, (iii) stockage hydrogène unité spécialement conçue = tampon réseau, (iv) four à shaft (shaft furnace) réduction minerai fer, (v) pelletes sur mesure minerai fer, (vi) gaz réduction/mélange préchauffé avant injection shaft, (vii) produit = DRI ou HBI (fer briqueté à chaud), (viii) DRI/HBI fondu + ferraille recyclée FAE.

HYBRIT évalué consommation énergie bout-en-bout nouvelle chaîne approvisionnement + cas référence HF. Analyse inclut activités minières extraction minerai fer. Résultat : HF émet 1600 kg CO₂ combustion coke/huile pour 1 tonne acier brut. Voie DRI = 25 kg CO₂ seulement + ~50 kg hydrogène → 2633 kWh électricité. Efficacité réduction émission = 32 kg CO₂/kg H₂.

Calcul précis réduction émission hydrogène consommé, mais DRI crée produit intermédiaire fer éponge requis traitement FAE pour acier brut (produit final BOF). Normaliser comparaison autres usages hydrogène : consommation électricité FAE 855 kWh/tonne acier brut = aurait pu produire 16 kg hydrogène supplémentaires → efficacité normalisée 24 kg CO₂/kg H₂. Figure 4 : comparaison HF-BOF vs HYBRIT.

Fig 4 Comparaison sidérurgie HF-BOF avec procédé HYBRIT

Maintenant production acier base hydrogène FAE = techniquement faisable + considérée partie solution potentielle long terme décarbonation industrie acier grande échelle. Question = pas SI mais QUAND et QUELLE AMPLEUR transformation. Facteurs interdépendants variés déterminent point basculement décarbonation industrie acier. Facteurs externes façonneront développement futur et temps adoption acier base hydrogène vert.

Basculement acier hydrogène = pas du jour au lendemain. Actuellement : une seule technologie production clé disponible pour industrie acier neutre carbone. Disponibilité future énergie bon marché renouvelables + questions réglementaires = 2 moteurs clés adoption acier hydrogène. Objectif neutre carbone ~28 ans futur, mais crucial AGIR MAINTENANT. Sites industriels durées vie >50 ans, horizons planification investissement 10-15 ans. Décisions actifs/empreinte = maintenant + feuille route décarbonation claire. Feuille route = combiner objectifs long terme + quick wins actionnables pour transition graduelle gardant parties prenantes engagées.

Globalement, basculement opportun carbone→hydrogène procédés acier = action politique coordonnée large éventail domaines, augmentant prix carbone EN MÊME TEMPS que baissant prix hydrogène. Réduction prix hydrogène = développement ensemble large mesures coordonnées. Mesures essentielles promouvoir DEMANDE hydrogène ET montée en puissance capacités approvisionnement dans poussée cohérente vers économie hydrogène.