Sidérurgie à l'hydrogène : réduire l'empreinte carbone de la production de fer et d'acier

La sidérurgie à l'hydrogène

L'industrie de la production de fer et d'acier est le secteur unique le plus important en termes d'émissions fossiles et industrielles mondiales totales, représentant environ 7 % à 9 % des émissions de gaz à effet de serre (GES). Parallèlement, l'acier est le matériau principal des sociétés industrielles modernes. La consommation d'acier va encore augmenter pour étendre et améliorer les infrastructures et élever les standards de vie mondiaux à un rythme suffisant. D'où le défi : trouver un procédé de fabrication d'acier permettant son usage sociétal tout en évitant les impacts environnementaux négatifs de sa production. Dans le contexte de la réduction des émissions de CO₂ de la sidérurgie, la voie de la sidérurgie basée sur l'hydrogène (H₂) suscite actuellement beaucoup d'attention car elle offre une alternative attractive.

Contexte : la réduction du minerai de fer par l'hydrogène

La réduction du minerai de fer par H₂ est bien connue : les réactions de réduction avec H₂ ont lieu à la fois dans la production de fonte en haut fourneau (HF) et dans la production de fer réduit direct (FRD) / fer briqueté à chaud (FBC) en four à shaft. Dans le HF, les sources de H₂ sont l'air chaud humidifié et le charbon pulvérisé injecté. Dans la voie DR-FEA (réduction directe - four à arc électrique), l'H₂ a toujours été historiquement utilisé, normalement généré à partir de gaz naturel (GN) par reformeurs catalytiques. La source hydrocarbonée étant le GN, l'H₂ produit peut avoir une concentration variable, mélangé à du monoxyde de carbone (CO), selon le ratio d'oxydant utilisé.

La réduction du minerai de fer par H₂ est étudiée depuis des décennies. Des investigations pionnières en Suède par Wiberg et Edström dès les années 1950 ont été suivies de nombreuses études sur la cinétique et la réactivité du produit. La première usine commerciale de réduction directe d'hydrogène (H₂-FRD) à échelle commerciale, basée sur la technologie à lit fluidisé (Circored), a été construite par Cliffs and Associates Ltd. au complexe industriel de Point Lisas à Trinité en 1998. Capacité conçue : 500 000 t/an de FBC. L'usine n'a pas réussi commercialement et a fermé en 2016.

Défis majeurs à surmonter

Dans le scénario mondial actuel, de nombreuses activités visent à trouver un procédé utilisant la réduction du minerai de fer par H₂ pour réduire drastiquement, voire éliminer totalement, les émissions de CO₂. De nombreux obstacles doivent être surmontés avant d'atteindre un succès pouvant concurrencer les procédés actuels de production de fer et d'acier.

1. Production massive d'H₂ bas carbone à coût compétitif

Les sources d'énergie renouvelable : solaire, éolien, hydraulique, marine, géothermique. L'énergie nucléaire utilise aussi un combustible sans fossile. Les deux sources renouvelables les plus fiables sont le photovoltaïque (PV) solaire et l'éolien. Mais les deux sont caractérisées par une production électrique fluctuante (nature volatile du rayonnement solaire et du vent), créant des périodes de pénurie et d'abondance. Pour intégrer une forte proportion d'éolien et de solaire, une solution de stockage à grande échelle est nécessaire pour compenser les déséquilibres temporels entre production et demande.

2. Stockage de l'H₂ en vrac

Stockage gazeux sous haute pression ou liquéfié cryogénique. Le stockage bénéficie du sourcing/pricing de l'électricité, mais n'est pas critique pour le concept de procédé. Aujourd'hui, l'alternative la plus rentable est le stockage sous pression souterrain (H₂ dans formations salines souterraines) — seule technologie testée à l'échelle industrielle. D'autres solutions attirent l'intérêt : utilisation de pipelines de gaz naturel, conversion en ammoniac ou hydrocarbures comme stockage intermédiaire. L'évaluation initiale de la technologie LRC (Lined Rock Cavern) utilisée en Suède pour le gaz naturel est prometteuse. D'autres méthodes en développement : stockage dans hydrures métalliques et matériaux poreux.

3. Absence de carbone dans le fer produit

Le fer produit par réduction à l'H₂ ne contient pas de carbone (C), contrairement à la fonte et au FRD/FBC qui en contiennent en pourcentage variable. Le C est nécessaire en sidérurgie pour le « C boil » et les propriétés de l'acier dérivent de sa teneur en C (variable selon les grades). Cependant, aucune difficulté technique réelle n'est anticipée : du C additionnel peut être ajouté au FEA.

4. Émissions CO₂ amont : extraction, traitement, transport

Émissions lors de l'extraction, traitement, enrichment du minerai de fer, production de pellets et transport. Les procédés à réduction H₂ préfèrent les pellets comme matière première. Il est possible d'éliminer certaines émissions CO₂ par l'usage d'énergies renouvelables.

Les trois processus clés de la voie H₂

Processus 1 : Production massive d'H₂

Actuellement par reformage à la vapeur de méthane. Cette option peut être conservée et optimisée pour la sidérurgie H₂ (ex. : pureté 97-98 % au lieu de 99,9 %+). Mais basée sur ressource fossile, la performance d'atténuation CO₂ reste moyenne, sauf ajout d'une unité de capture CO₂ (stratégie différente). L'option préférable : électrolyse de l'eau. L'H₂ doit être sans fossile → électrolyse avec électricité bas carbone (renouvelable ou nucléaire). Défi : production massive d'H₂ bas carbone à conditions économiques acceptables. L'électrolyse est connue, mais des développements sont nécessaires pour atteindre la cible de quantités massives, bas carbone et abordables pour la sidérurgie. La taille de l'usine s'obtient en multipliant les cellules électrolytiques. Nouvelles technologies identifiées : membranes à échange de protons, électrolyse haute pression ou haute température.

Processus 2 : Réduction directe du minerai de fer en four à shaft (100 % H₂)

Cœur du procédé de sidérurgie H₂. Le four à shaft est alimenté en pellets ou minerai en vrac au sommet, descendant par gravité et rencontrant un flux montant d'H₂, injecté latéralement à mi-hauteur et sortant au sommet. Les réactions de réduction se déroulent dans la section supérieure entre sortie et entrée du gaz réducteur. La conversion en fer est complétée au niveau de l'entrée de gaz. En dessous, une section conique peut refroidir le FRD, de préférence avec H₂ plutôt que méthane (CH₄). Le reste du circuit gaz est bien plus simple que le FRD conventionnel au GN reformé : le gaz de tête (H₂-H₂O) est refroidi pour condenser l'eau. L'H₂ séparé est recyclé, mélangé à l'H₂ frais de l'usine d'électrolyse, et réchauffé à la température souhaitée (~800-900 °C).

D'après la modélisation mathématique de la zone de réduction d'un four à shaft opéré avec 100 % H₂, la cinétique de réduction rapide avec H₂ permet d'atteindre théoriquement une métallisation complète plus vite qu'avec un mélange H₂-CO, résultant en réacteurs plus petits que les shafts FRD actuels.

Processus 3 : Fusion du FRD sans carbone en FEA pour produire l'acier

Un procédé de réduction basé sur H₂ donne un produit ferreux à carbone zéro, indiquant qu'une source de C sans fossile est nécessaire pour produire l'acier de chimie requise à l'étape de sidérurgie.

La voie optimale étudiée dans le projet ULCOS

Dans la meilleure voie de sidérurgie H₂ étudiée dans le projet ULCOS (Ultra Low CO₂ Steelmaking) (Fig. 1), l'H₂ est produit par électrolyse de l'eau utilisant électricité hydraulique ou nucléaire. Le minerai de fer est réduit en FRD par H₂ en four à shaft, et le FRD sans C est traité en FEA pour produire l'acier. Cette voie montre une performance prometteuse : < 300 kg CO₂/t d'acier, incluant le coût CO₂ de l'électricité, avec émissions du four FRD quasi nulles. Cela représente une réduction de 85 % vs les ~1 850 kg CO₂/t d'acier de la voie HF-COB (convertisseur basique) actuelle. C'est une voie plus durable pour faire de l'acier. Mais son développement futur dépend largement de l'émergence d'une « économie de l'hydrogène », quand ce gaz sera disponible en grandes quantités, à coût compétitif, et avec faibles émissions CO₂ pour sa production.

Réactions de réduction et cinétique

En réduction H₂, le minerai de fer est réduit par réaction gaz-solide, similaire aux voies FRD. Seule différence : l'agent réducteur est H₂ pur au lieu de CO, syngaz ou coke. La réduction par H₂ se fait en deux ou trois étapes. Au-dessus de 570 °C : hématite (Fe₂O₃) → magnétite (Fe₃O₄) → wüstite (FeₓO) → fer métallique. En dessous de 570 °C : magnétite → fer directement (wüstite instable thermodynamiquement).

Réactions : (i) 3 Fe₂O₃ + H₂ = 2 Fe₃O₄ + H₂O, (ii) x Fe₃O₄ + (4x-3) H₂ = 3 FeₓO + (4x-3) H₂O, (iii) FeₓO + H₂ = x Fe + H₂O (x = 0,95). La réduction libère de la vapeur d'eau inoffensive (H₂O) au lieu de CO₂. Réaction globale : Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O (endothermique, ΔH à 298 °C = 95,8 kJ/mol, négatif pour le bilan énergétique → demande apport d'énergie par le gaz réducteur injecté). Focus : optimisation température de réduction, cinétique, composition des pellets, technologie de préchauffage du gaz réducteur.

Consommation stœchiométrique d'H₂ pour réduire hématite : 54 kg par tonne de fer. Une usine de 1 Mt/an d'acier nécessite une usine H₂ de capacité ~70 000 m³/h (STP). Avec H₂ comme gaz réducteur, il faut anticiper le changement de comportement du réacteur vs réacteur avec mélanges H₂-CO (Fig. 2). Plusieurs facteurs interagissent : cinétique, thermodynamique, transfert de chaleur, écoulement gaz.

Cinétique : études en laboratoire montrent que, toutes choses égales, la cinétique avec H₂ est plus rapide (jusqu'à 10x) qu'avec CO. La plupart des caractéristiques de réaction sont très similaires, nombreux mécanismes communs. Mais différences significatives existent.

Facteur 1 : Thermodynamique

Favorise le CO à basses températures (diagramme de Chaudron, Fig. 3). Les flèches bleues verticales représentent la force motrice pour la réduction wüstite-fer, qui augmente avec la température pour H₂ et diminue pour CO.

Facteur 2 : Chaleur des réactions de réduction (Tableau 1)

Hématite→magnétite : moins exothermique avec H₂ qu'avec CO. Magnétite→wüstite : plus endothermique. Surtout : wüstite→fer est endothermique avec H₂ et exothermique avec CO. Bilan global : réduction endothermique avec H₂, exothermique avec CO. Résultat : température et compositions dans le shaft changent grandement avec la composition du gaz d'entrée. À la sortie de la zone d'injection, température diminue (craquage méthane) ; avec plus de CO, le lit reste à température plus haute (réactions exothermiques), alors qu'elle est plus basse avec plus de H₂.

Tableau 1 : Valeurs thermiques des réactions de réduction
Réaction	ΔH, 800 °C (J/mol)
3Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe₃O₄ + H₂O	– 6 020
3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂	– 40 040
Fe₃O₄ + H₂ → 3FeO + H₂O	46 640
Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂	18 000
FeO + H₂ → Fe + H₂O	16 410
FeO + CO → Fe + CO₂	– 17 610

Note : signe moins = réaction exothermique

Même si dans tous les cas plus d'H₂ que de CO est globalement utilisé pour les trois réductions (résultat de la cinétique), l'effet de la réduction par CO dans la zone centrale (cas gaz CO) est décisif pour le degré de métallisation final. Avec H₂ pur (entrée gaz réducteur et entrée bas), la zone centrale plus froide n'existe pas, températures plus uniformes radialement, et la réduction, grâce à la cinétique efficace, va à completion (100 % métallisation).

Enjeux opérationnels : chaleur, pression, sécurité

La réduction avec H₂ est endothermique (exothermique avec CO). Thermodynamique plus favorable avec H₂ au-dessus de 800 °C. L'exploitation industrielle diffère : avec H₂, le gaz chaud doit apporter assez de calories pour chauffer et maintenir le solide à température suffisante. Un débit de gaz supérieur à la stœchiométrie est nécessaire. Cinétique plus rapide avec H₂ → peut modifier la morphologie du produit final (fer), qui dépend de la compétition entre diffusion et réaction chimique. Formation de « whiskers » (filaments de fer sortant de la phase wüstite) : caractéristique spécifique de la réduction par H₂. Les whiskers augmentent les contacts fer-fer et expliquent le phénomène de collage des particules solides, parfois observé en réacteurs industriels à haute teneur en H₂. Autre phénomène : ralentissement à certaines températures en fin de réaction pour atteindre le dernier pourcent de conversion.

En four à shaft avec H₂ pur, pas de source de C. Réactions endothermiques → grande quantité de chaleur absorbée → température interne à la couche de matière en vrac diminue rapidement → détérioration du taux d'utilisation du gaz. La quantité d'H₂ comme vecteur de chaleur doit être augmentée pour maintenir la productivité. Exemple : pression au sommet 0,4 MPa, H₂ à 900 °C doit être ≥ 2 600 m³/t FRD pour satisfaire la demande thermique. Si ajout H₂ inchangé, production FRD = 1/3 de l'actuel → forte augmentation du coût de production.

Gravité spécifique de l'H₂ faible, densité = 1/20 de celle du CO. Molécules d'H₂ entrantes s'échappent rapidement vers le haut. Comparé au chemin/direction d'un gaz réducteur mixte, ceux de l'H₂ dans un four changent si vite qu'il ne peut rester dans la zone haute température au bas du shaft pour réduire les pellets. Théoriquement, produits FRD peuvent atteindre les indices visés en maintenant H₂ entrant à pression > 1 MPa et température > 1 000 °C.

L'H₂ est extrêmement inflammable et explosif ; le four à shaft nécessite une production hautement efficace et stable long terme. Si le système fonctionne longtemps sous conditions ultimes de haute température et haute pression, la sécurité devient un enjeu. En résumé, taux de réduction directe et efficacité de production sont affectés par : proportion H₂, température, pression, taux d'utilisation gaz, temps de résidence du minerai, transferts chaleur/masse, conception du four à shaft.

L'initiative HYBRIT

HYBRIT = HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology. Le 4 avril 2016, trois entreprises suédoises — SSAB, LKAB, Vattenfall AB — lancent un projet étudiant la faisabilité d'une production FRD basée H₂, avec électricité sans émission CO₂ comme source d'énergie primaire. Une coentreprise, HYBRIT Development AB, est formée, détenue par les trois, donnant accès à l'expertise de toute la chaîne de valeur : production d'énergie, extraction minière, enrichment minerai, production pellets, réduction directe, fusion, production acier brut.

Une pré-étude de faisabilité sur la réduction directe H₂ (2017) a conclu : voie techniquement faisable et, vu les tendances futures des coûts d'émissions CO₂ et d'électricité, économiquement attractive pour conditions Nord Suède/Finlande.

Procédé HYBRIT

Remplace le charbon par H₂ pour la réduction directe (RD) du fer, combiné à un FEA. Procédé quasi complètement sans fossile → réduction substantielle des émissions GES. Parmi plusieurs initiatives utilisant configuration H₂-RD/FEA : réduction directe du minerai par H₂ + FEA pour transformation en acier. Produit du procédé H₂-RD = FRD ou fer éponge sans C, alimenté en FEA, mélangé à parts adaptées de ferraille, traité en acier.

Caractéristiques principales (Fig. 4) :

1. Carburants non fossiles pour production pellets
2. H₂ produit par électrolyse avec électricité sans fossile
3. Stockage H₂ dans unité spécialement conçue comme tampon au réseau
4. Four à shaft pour réduction minerai
5. Pellets sur mesure comme aliment minerai
6. Gaz réducteur/ mélange préchauffé avant injection dans shaft
7. Produit : FRD ou FBC sans C ou carburé
8. FRD/FBC fondu avec ferraille recyclée en FEA

L'usage d'H₂ produit par électrolyse de l'eau avec électricité sans fossile pour réduire pellets de minerai en four à shaft est l'alternative principale choisie pour HYBRIT. La conversion vers une chaîne de valeur sans fossile, de la mine à l'acier fini, inclut de nombreux développements tenant compte des conditions locales de marché et géographiques. La Suède a une situation unique : surcapacité électrique dans le nord, proximité mines de fer, bon accès biomasse et aciéries, réseau fort entre industrie, instituts de recherche et universités.

Le procédé HYBRIT relève d'une catégorie de concepts technologiques substantiellement plus proches du déploiement commercial. Basé sur H₂ comme agent réducteur, H₂ produit par électrolyse sur électricité renouvelable. Avantage environnemental majeur : rejet = eau (H₂O) au lieu de CO₂ → réduction conséquente GES. Comme en FRD conventionnel, le fer produit par voie H₂-FRD peut être transformé en acier via technologie FEA commercialement disponible. Production H₂ et sidérurgie FEA peuvent être sans carbone si électricité et H₂ produits par sources renouvelables : PV/éolien/hydro-électrolyse, production photo-chimique H₂, ou thermolyse solaire de l'eau.

Technologie de réduction flash à l'hydrogène (FIT)

Une nouvelle technologie transformationnelle pour sidérurgie alternative est développée par un consortium d'organisations/instituts sous soutien financier de l'American Iron and Steel Institute (USA). Basée sur la réduction gazeuse directe de concentré d'oxyde de fer en procédé de réduction flash. La nouvelle « flash ironmaking technology (FIT) » a le potentiel de réduire la consommation d'énergie de 32 % à 57 % et les émissions CO₂ de 61 % à 96 % vs opération moyenne actuelle par HF. Cette technologie réduit le concentré de minerai de fer en réacteur flash avec gaz réducteur approprié (H₂, GN, bio/charbon gaz ou combinaison). Premier procédé de sidérurgie flash. Adapté à une opération industrielle convertissant concentré de minerai (< 100 microns) en métal sans traitement supplémentaire.

Avantages du FIT

• Contourne pelletisation/frittage et cokéfaction.
• Procédé intensif : particules fines réduites à vitesse rapide à 1 150-1 350 °C.
• Temps de résidence : ordre de secondes (vs minutes/heures pour pellets et fines).
• 90-99 % réduction en 2-7 secondes à 1 200-1 500 °C.
• Temps de résidence = combinaison vitesse réaction (température), taille aliment, excès gaz/distance ligne équilibre.
• Besoin énergétique avec H₂ : 5,7 GJ (1 360 Mcal)/t fer liquide.

Fonctionnement du réacteur flash

Partie chauffage : bobine à induction chauffe susceptor graphite → chauffe paroi réfractaire par rayonnement. Susceptor + réfractaire chauffent gaz et particules par convection et rayonnement. Après montée en température, gaz et particules entrent zone réaction (bonne isolation → condition adiabatique). Puis zone refroidissement avec panneaux pour refroidir gaz et particules. Fig. 6 montre le flux du FIT.

Résultats et perspectives

FIT avec H₂ comme gaz réducteur : émissions CO₂ = 0,04 t CO₂/t fer liquide = 2,5 % des émissions de la voie HF. Procédé à température assez élevée pour que particules individuelles aient assez d'énergie pour refermer les pores créés par élimination oxygène → particules beaucoup moins sujettes à inflammation par oxydation rapide. Université de l'Utah : recherche sur petits échantillons de poudre → non pyrophoriques.

Gaz réducteurs : GN, H₂, syngaz ou combinaison. Applicable à production fer comme aliment sidérurgie ou partie d'un procédé continu de sidérurgie directe. Justifié par données expérimentales phase précédente, développement montée en échelle en cours à l'Université de l'Utah. Tests en four flash labo → base de données cinétique sur larges gammes conditions opératoires et conception complète d'un réacteur banc plus avancé. Objectif : FIT industriellement viable → campagne de tests banc complet prévue. Livrables attendus : détermination scalabilité, résultats simulation substantiels, données ingénierie fondamentale pour conception et construction usine pilote industrielle.