L'industrie métallurgique est sur le point de subir l'un des plus grands bouleversements de l'histoire, selon un expert

12 novembre 2019

par Peter Hergersberg, Société Max Planck

Les matériaux métalliques sont l'épine dorsale des économies modernes. Cependant, de grandes quantités de CO2 sont produites lors de leur production et de leur transformation. L'industrie métallurgique doit donc utiliser à l'avenir des procédés plus respectueux du climat. Le bilan CO2 des alliages et de leurs composants doit également être amélioré sur l'ensemble de leur durée de vie. Dierk Raabe, directeur du Max-Planck-Institut für Eisenforschung à Düsseldorf, explique les possibilités dont disposent déjà les entreprises industrielles à cet égard ainsi que les tâches que les métallurgistes doivent assumer pour atteindre l'objectif d'une industrie métallurgique durable.

Professeur Raabe, que pourraient faire aujourd'hui la sidérurgie et les autres secteurs de la métallurgie pour réduire rapidement et sensiblement leur consommation de ressources et leur empreinte CO2 ?

La protection contre la corrosion a un effet considérable car elle rend les produits plus durables. Il ne s'agit pas seulement du fer, qui rouille, mais aussi d'autres matériaux comme l'aluminium ou le nickel. Il s'agit également de la corrosion par l'hydrogène, par exemple, qui a un effet beaucoup plus extrême sur les métaux que l'eau et l'oxygène. Cela peut provoquer une fragilisation par l'hydrogène, des dommages pouvant entraîner la défaillance soudaine et catastrophique des composants. Ce fut l'une des causes de la catastrophe de Deep Water Horizon, par exemple. Cependant, il joue également un rôle dans les centrales électriques, les bâtiments industriels et les transports, surtout si nous voulons compter davantage sur l'hydrogène comme source d'énergie à l'avenir. Même si la protection contre la corrosion ne semble pas si passionnante pour les profanes, elle a un effet de levier considérable car jusqu'à 4 % de la production économique mondiale est détruite par la corrosion chaque année.

Dans certaines régions, la protection contre la corrosion est déjà assez répandue. Par exemple, dans l'industrie automobile. Il y avait une question importante lors de l'achat d'une voiture : à quelle vitesse rouille-t-elle ? C'est maintenant une chose du passé. Cependant, les infrastructures industrielles, les gratte-ciel, les ponts, les centrales électriques ou les trains – il suffit de penser à l'accident ferroviaire près d'Eschede en 1998 – sont toujours très sensibles à la corrosion. Et cela ne fera que se multiplier lorsque l'hydrogène sera ajouté comme source d'énergie dans les dix prochaines années.

L'électrification de la production de métaux aura également une influence majeure. l'aluminium, deuxième matériau métallique le plus important après l'acier pour les industries aéronautique et automobile, est depuis longtemps synthétisé par réduction électrolytique du minerai d'aluminium. Cela nécessite beaucoup d'électricité, dont une partie est déjà obtenue à partir de sources renouvelables telles que l'hydroélectricité. Vous pouvez également produire d'autres métaux, même du fer, par électrolyse. Cependant, cela n'en vaut pas la peine en raison des prix élevés de l'électricité. Au total, l'électrification est l'un des leviers les plus importants pour la durabilité de la production primaire et de la transformation ultérieure des métaux si l'électricité provient exclusivement de sources renouvelables.

L'expansion poussive des lignes électriques pour l'électricité verte devrait enfin accélérer le rythme. Car il faut bien préciser que dans des régions comme la Ruhr, où l'on produit du fer, il faudra attendre encore de nombreuses années pour un raccordement à une alimentation électrique verte suffisante pour de telles industries comme le montre un coup d'œil sur la page d'accueil de l'Agence fédérale des réseaux. En outre, les estimations du marché réalisées par le Wuppertal Institute, par exemple, montrent qu'il pourrait s'écouler jusqu'à 20 ans avant que les processus tout électriques ne deviennent compétitifs.

Pour l'industrie sidérurgique, cependant, cela signifierait qu'elle devrait passer de la production de hauts fourneaux à des procédés entièrement nouveaux. Est-ce réaliste?

Même pour des parties individuelles d'aciéries et de fonderies d'aluminium intégrées, les coûts d'investissement sont si élevés que l'industrie ne peut pas se permettre de les reconstruire tous les dix ans. Dans un premier temps, cependant, les hauts fourneaux pourraient même être laissés tels quels. L'industrie peut remplacer le carbone à réduire (c'est-à-dire le coke, le charbon, la biomasse et les déchets plastiques) par jusqu'à 20 % d'hydrogène, qui devrait bien sûr être généré à partir d'eau à l'aide d'électricité régénérative. Et comme l'industrie sidérurgique représente environ 6 % des émissions mondiales totales de CO2, cela aurait un impact considérable. Ces processus sont déjà testés à plusieurs endroits dans le monde. L'industrie peut également passer de la production à la réduction directe à moyen terme. Le processus consiste à remplir des pastilles d'oxyde granulaires (telles que celles fournies par les mines après le traitement du minerai) sous forme de solides dans un four et à les convertir directement avec du méthane. Cela se fait depuis longtemps dans les pays où le méthane est abordable. Ce procédé présente l'avantage que les plantes peuvent, en principe, être converties jusqu'à 100 % d'hydrogène.

Le procédé entièrement basé sur l'hydrogène nécessitera 10 à 12 ans avant de pouvoir être mis sur le marché. On estime qu'ils seront d'env. 30% plus cher que la production actuelle des hauts fourneaux. Et l'augmentation du prix du CO2 n'a pas encore été entièrement déterminée. Il se peut donc que dans 10 ans, une augmentation de 30 % soit un prix de marché compétitif si des matériaux concurrents moins durables provenant de l'extérieur de l'UE sont soumis à des conditions comparables. La pire des solutions serait que la production de métaux disparaisse d'Europe et que nous achetions des métaux non durables à des pays extérieurs à l'UE. L'Europe a besoin d'une industrie de production et de transformation des métaux indépendante et durable, notamment parce qu'elle génère environ 400 milliards d'euros par an.

D'une part, l'industrie sidérurgique peut produire du fer en réduisant les émissions de CO2. Les entreprises en voient déjà la nécessité car elles peuvent estimer que les coûts augmenteront dans les années à venir en raison de la tarification du CO2 et parce que les constructeurs automobiles, par exemple, espèrent utiliser à l'avenir une part croissante d'acier à faible teneur en CO2. D'autre part, la réduction directe permet également aux entreprises de gagner en flexibilité. Un haut fourneau doit fonctionner en permanence. Sinon, il tombera en panne. Avec les fours à réduction directe, les entreprises peuvent s'adapter de manière beaucoup plus flexible au marché et produire des aciers de différentes qualités. Nous sommes également surpris que l'industrie sidérurgique planifie et entreprenne déjà la conversion à de telles usines à grande échelle dans le monde entier. Certaines centrales existantes sont déjà en cours de conversion à l'hydrogène. Dans les prochaines années, l'industrie métallurgique va connaître l'un des plus grands bouleversements de l'histoire. Depuis plus de 3500 ans, le fer est (en principe) produit selon le même procédé de réduction.

Lors de la prise de décisions politiques, nous devrions, dans tous les cas, analyser comment les mesures législatives telles que les subventions ou les interdictions affectent le bilan de CO2 sur des cycles de vie complets. Par exemple, si vous injectiez beaucoup d'argent dans la production d'acier entièrement électrolytique, cela sonnerait bien. Cependant, un regard sur le mix électrique montre que, comme pour la voiture électrique, il y a encore 25 % d'électricité de lignite. Alors nous n'avons rien gagné. La durabilité doit également être pensée de manière durable. Ça ne sert à rien de se montrer.

Par exemple, dans les incitations aux cycles de ferraille fermés dans l'industrie. Je vais vous donner un exemple : il existe des constructeurs automobiles qui ne produisent déjà principalement que des voitures en aluminium dans le segment haut de gamme et, dans certains cas, traitent jusqu'à 300 000 tonnes d'aluminium par an. Cependant, lorsque les composants sont découpés dans la tôle, jusqu'à 45 % du matériau est perdu. On pourrait penser qu'ils récupèrent leur propre ferraille. Parce que lorsque l'aluminium est si pur, c'est comme de l'argent liquide. Mais seules quelques entreprises le font de manière cohérente. Par exemple, ici dans l'UE. Sinon, il est toujours beaucoup moins cher pour de nombreuses entreprises d'acheter du nouveau matériel sur le marché au lieu d'établir des cycles de rebut fermés. Et la plupart de la ferraille est également déjà mélangée, ce qui réduit sa valeur à un dixième seulement. Par exemple, créer des incitations fiscales pour des cycles de ferraille séparés à un stade précoce ferait bien plus que simplement collecter des capsules de café ou des emballages en aluminium, que nous produisons en tant que consommateurs. Cela ne veut pas dire que nous ne devrions pas nous en préoccuper. Mais par rapport aux déchets industriels, c'est une question de décimales.

À l'heure actuelle, de nombreux alliages différents sont utilisés dans de nombreux produits car ils ont tous une propriété particulière. Dans un premier temps, nous examinons quels éléments apparaissent dans les alliages lorsqu'une certaine quantité de ferraille est utilisée. Par exemple, vous pouvez déjà trouver le néodyme extrêmement coûteux des moteurs électriques des lève-vitres et autres dans l'aluminium recyclé utilisé dans les voitures aujourd'hui, car ils ne sont pas séparés avant d'être fondus. On retrouve ainsi plus de 20 éléments dans des alliages que nous n'avions pas auparavant. Nous étudions comment ces impuretés modifient les propriétés des alliages. Nous espérons découvrir à quel point un matériau peut être impur tout en remplissant sa fonction. Si nous pouvons prouver scientifiquement qu'un matériau peut être moins pur, nous pouvons augmenter la teneur en déchets et ainsi réduire massivement l'empreinte CO2.

Nous étudions ces possibilités. Nous regardons systématiquement où beaucoup de matière est consommée et si nous pouvons fabriquer des alliages qui peuvent tolérer plus d'impuretés. Par exemple, nous avons constaté que l'industrie de la construction utilise de plus en plus d'alliages d'aluminium apparentés à l'alliage aluminium-manganèse des canettes de boissons pour les tuiles, les revêtements, les éléments porteurs, les ascenseurs, etc. Dans le cas des canettes, la proportion de recyclage et donc la quantité d'impuretés est déjà assez élevée, car l'alliage est relativement bon enfant et n'a pas besoin de pouvoir faire grand-chose. Nous voulons maintenant étudier si les déchets de canettes, que de nombreux pays produisent en plus grande quantité qu'en Allemagne, peuvent également être utilisés à des fins de construction.

Nous essayons de réduire le nombre d'alliages et de développer une sorte d'alliage unitaire. Ce serait bien mieux à recycler car beaucoup moins de tri serait nécessaire. Jusqu'à présent, la spécialisation des matériaux s'est toujours obtenue au prix d'un changement chimique : les scientifiques des matériaux tripotent la composition chimique jusqu'à ce que l'aile, le composant d'avion ou la turbine s'améliore. Nous souhaitons réduire cette extrême diversification des variétés, qui rend difficile le recyclage. Un exemple précis : un constructeur automobile pourrait exiger qu'un producteur d'acier ou d'aluminium n'utilise que deux alliages au lieu de cinq, qui ont tous été perfectionnés pour conférer une certaine propriété telle que la résistance ou la qualité de surface.

La question fondamentale ici est de savoir si nous pouvons parvenir à une diversification non seulement par la composition chimique mais aussi principalement par des changements dans la micro- et la nanostructure. Cela a traditionnellement bien fonctionné avec les métaux. Cependant, vous devez investir beaucoup plus d'efforts dans la production afin d'obtenir une certaine taille et orientation des cristaux (à titre d'exemple). Cette approche déplace l'approche de base de la production de matériaux de la chimie des matériaux à la physique des métaux.

Par exemple, si vous achetez un alliage d'aluminium aujourd'hui, vous pouvez choisir jusqu'à 280 alliages capables de faire tout ce que l'aluminium devrait être capable de faire. Mais si vous regardez ce qui se vend vraiment en grande quantité, il ne reste plus que 50 ou 60 alliages. Et si vous regardez de plus près exactement ce que ces alliages sont censés réaliser, vous pourriez vous retrouver avec seulement 20 ou 30 alliages. Bien sûr, ce n'est qu'une estimation approximative.

Les émissions de CO2 de l'industrie métallurgique pourraient également être réduites en utilisant moins de matériaux. Voyez-vous des possibilités d'alléger les carrosseries, par exemple ?

Tout d'abord : les voitures sont devenues plus grandes et plus lourdes au cours des dernières décennies, en partie à cause d'équipements supplémentaires tels que la climatisation, le câblage ou les ordinateurs de bord, qui sont aujourd'hui considérés comme la norme minimale. Et bien sûr la situation est assez extrême avec les véhicules électriques dont la batterie pèse à elle seule jusqu'à 800 kg. Mais vous pourriez ajouter 200 ou 300 kg supplémentaires si les corps n'étaient pas déjà devenus beaucoup plus légers car les alliages devenaient de plus en plus durs. Néanmoins, la concurrence entre les fabricants de matériaux se poursuit pour voir qui peut fournir les aciers et alliages d'aluminium les plus résistants. Parce que nous ne sommes encore qu'à environ un dixième de la résistance théoriquement possible de ces matériaux. Il y a donc encore beaucoup de recherches à faire pour amener les matériaux à leurs limites physiques.

Vous demandez vraiment à la mauvaise personne. En fait, les matériaux polymères avec des fibres de carbone se sont propagés à maintes reprises pour les carrosseries automobiles. Mais en termes d'équilibre écologique, c'est vraiment un non-sens. La production de fibres de carbone nécessite une quantité d'énergie extrêmement élevée et libère de grandes quantités de CO2. Et au final, vous ne pouvez que jeter la plupart de ces matériaux dans l'usine d'incinération des déchets. Il est souvent affirmé que ces matériaux à base de polymères peuvent être recyclés. Mais vous ne pouvez vraiment que les couper et en faire des nattes. Les métaux, en revanche, peuvent être recyclés à l'infini, à condition que les déchets soient collectés par type, que l'effet des impuretés soit compris et contrôlé et que la variété des alliages utilisés soit réduite. Et les composants en magnésium légers sont déjà très proches des composants en polymère en termes de poids mais sont entièrement recyclables.

Fourni par la société Max Planck