Réduire les émissions de GES liées à la production du ciment

La fabrication de ciment est l’une des activités industrielles les plus émettrices de gaz à effet de serre (GES) dans le monde. L’énergie nécessaire au procédé représente environ 40% des émissions, mais 60 % provient du calcaire lui-même, qui libère du carbone sous forme de CO₂ lors qu’il se transforme en ciment. Ce texte présente les trois avenues envisagées pour réduire les émissions des cimenteries : réduction des pertes de chaleur, carburants alternatifs et modifications à la composition du ciment.

Ce texte a été rédigé dans le cadre d’une recherche plus vaste menée en collaboration avec la Chaire de gestion du secteur de l’énergie de HEC Montréal, pour le compte du gouvernement du Québec. C’est pourquoi il utilise des références de type universitaire. La bibliographie se trouve à la fin.

Le ciment se fabrique en faisant chauffer, dans un four rotatif, un mélange composé d’environ 80 % de calcaire (source de calcium) et de 20 % de matériaux divers, dont de l’argile, source d’aluminosilicates, et du sable. Cette cuisson provoque l’agglomération du clinker, de petits nodules contenant deux tiers ou plus de silicates de calcium, plus divers composés à base d’aluminium et de fer. Réduit en poudre, le clinker représente plus de 90 % de la masse du ciment Portland, le reste étant constitué de divers additifs déterminant le délai de prise et d’autres caractéristiques.

La calcination du clinker décompose le carbonate de calcium (CaCO₃) du calcaire en chaux (CaO) et en dioxyde de carbone (CO₂). Il existe quelques variantes du procédé de base. Certaines utilisent les intrants sous forme poudreuse sèche, tandis que d’autres ajoutent de l’eau au mélange pour former un coulis. Cet ajout est nécessaire pour traiter certains types de calcaire, mais l’évaporation de l’eau en cours de calcination augmente les besoins énergétiques du procédé (Griffin, 2016).

La calcination nécessite une température d’environ 1 500 °C, ce qui en fait un procédé à consommation énergétique élevée. Il justifie à lui seul 90 % des besoins en énergie des cimenteries, estimé entre 3 et 4 GJ de chaleur par tonne de clinker (Åhman, 2004). Les sources d’énergie varient : gaz naturel, pétrole, charbon ou déchets que l’on souhaite détruire ou valoriser. Au Québec, le combustible représente de 35 à 40 % des émissions directes, tandis que la décarbonatation du calcaire émet de 60 à 65 % du total (Pinel, 2015).

Ailleurs dans le monde, on estime généralement la part de la décarbonatation à 60 % des émissions (ENOVA, 2017) et celle du carburant à 30 %, tandis que les autres 10 % proviennent indirectement de l’électricité utilisée pour les activités de broyage (Griffin 2016). Au Québec, l’hydroélectricité ramène l’empreinte carbone du broyage à un niveau négligeable.

Il existe trois avenues possibles pour réduire les émissions de GES des cimenteries. La première consiste à remplacer les carburants fossiles par de la biomasse, qui représente déjà 8 % de l’énergie utilisée à cette fin dans le monde (ECRA 2009). Il s’agit principalement de boues d’épuration, de résidus de viande et d’os, de déchets de bois et de bran de scie (Åhman, 2012). L’industrie étudie aussi la possibilité d’utiliser du bois produit de manière durable à la manière d’un « charbon vert ». Au Québec, ces approches sont peu priorisées, puisqu’on préfère la réduction, la réutilisation, le recyclage et la valorisation des matières (Pinel, 2015).

La seconde approche consiste à réduire les pertes de chaleur pour réduire les besoins en énergie. Selon Griffin (2016), les principales sources de pertes se situent au niveau de la cheminée (21 % à 1 100 °C) de l’air évacué du refroidisseur (12 % à 240 °C) et des surfaces chauffées (10 %). Le préchauffage du four à partir de la chaleur récupérée dans la cheminée peut apporter des économies intéressantes, mais plusieurs cimenteries utilisent déjà ce procédé, qui présente par conséquent peu de possibilités d’amélioration (Griffin, 2016). Pas moins de 48 % des pertes d’énergie se produisent dans le cadre des réactions chimiques et de la combustion elles-mêmes et sont donc considérées comme irrécupérables (Griffin, 2016).

La troisième approche consiste à modifier la composition du ciment en remplaçant une partie du clinker par des substituts présentant une moindre empreinte carbone. Divers matériaux ont été proposés, dont les cendres de charbon, le laitier de haut-fourneau, le calcaire, des matériaux pouzzolaniques, l’oxyde de magnésium et la poudre de verre.

Les approches reposant sur l’efficacité énergétique des fours ne permettront probablement pas des gains importants. Les améliorations apportées de 2000 à 2010 dans ce domaine ont donné des résultats inférieurs à ceux enregistrés dans le passé, ce qui donne à penser qu’une limite pratique est peut-être en voie d’être atteinte en matière de réduction des besoins en énergie (Griffin, 2016). Par ailleurs, la substitution du clinker par d’autres matériaux, bien que prometteuse sur le papier, se heurte à la faible disponibilité locale des minerais de magnésium et des matériaux pouzzolaniques. Enfin, le ciment est un produit soumis à des normes techniques très précises, qui constituent un obstacle à l’innovation (Lytton, 2018).

Approche de réduction des émissions de GES

Il existe cinq approches de réduction des émissions de GES dans le secteur de la fabrication de ciment :

• une meilleure efficacité énergétique

• la récupération de la chaleur résiduelle

• l’utilisation de carburants alternatifs

• des modifications de la composition du ciment

• la capture et la séquestration du carbone.

Ces approches n’offrent pas toutes le même intérêt. Après des décennies d’améliorations graduelles, l’efficacité énergétique a déjà livré à peu près tous les gains envisageables, tandis que la recherche sur la composition du ciment est en pleine effervescence. Selon une étude portant sur la production de ciment en Europe (McKinsey, 2009), il serait possible, en 2030, de réduire les émissions de 70 % par rapport au scénario de référence (sans aucune mesure de réduction). Ceci représente une réduction de 47 milliards de tonnes d’équivalent CO₂ par rapport aux 70 Gt qui seraient normalement produites à cette date. Reportés aux émissions de GES des cimenteries québécoises (2,43 Mt d’équivalent CO₂ en 2012 selon Pinel, 2015) avant la construction de la cimenterie McInnis, ceci représenterait une diminution de 1,63 Mt.

Meilleure efficacité énergétique

Une étude menée auprès de l’industrie britannique du ciment (Department for Business, Energy & Industrial Strategy, 2017b) confirme essentiellement les résultats de McKinsey (2009). Lytton (2018) trouve les mêmes résultats à l’échelle européenne. L’industrie du ciment a diminué sa consommation d’énergie de manière importante depuis deux ou trois décennies, de sorte que la plupart des gains potentiels ont déjà été obtenus.

Il n’existe pas de procédé émergent qui apporterait d’importantes réductions supplémentaires. La Chine développe une technologie sur lit fluidisé, mais les gains potentiels n’atteignent que 300 MJ d’énergie par tonne de clinker (Griffin, 2016). Lytton (2018) rapporte que la production actuelle de clinker exige environ 3 750 MJ d’énergie par tonne en moyenne et que la meilleure technologie en exige 3 200. Les modifications nécessaires seraient de grande ampleur et le retour sur l’investissement, problématique et à très long terme (Department for Business, Energy & Industrial Strategy, 2017b). En pratique, ces faits ne contredisent pas le potentiel nul décrit par McKinsey (2009).

Récupération de la chaleur résiduelle

La chaleur résiduelle offre des possibilités limitées de gain, parce que la plupart des mesures possibles ont déjà été adoptées. Le préchauffage du four à partir de la chaleur récupérée dans la cheminée apporte des économies intéressantes, mais les cimenteries utilisent déjà ce procédé, qui présente peu de possibilités d’amélioration supplémentaire (Griffin, 2016). Une étude récente menée en Grande-Bretagne n’a pas trouvé de procédé immédiatement disponible, mais recommande tout de même de vérifier s’il ne subsiste pas quelques pistes pour utiliser de faibles niveaux de chaleur résiduelle à basse température (Department for Business, Energy & Industrial Strategy, 2017b).

Utilisation de carburants alternatifs

Les carburants traditionnellement utilisés dans les raffineries sont riches en carbone : coke de pétrole, charbon, mazout. Il est toutefois possible d’y substituer des carburants fossiles plus propres, comme le gaz naturel, ou divers résidus, dont de la biomasse. La combustion de divers résidus est d’autant plus intéressante qu’il est possible d’ajouter leurs cendres au clinker, ce qui réduit ou élimine les problèmes de gestion qui y sont liés.

Les cimenteries québécoises utilisent déjà largement la substitution de combustible, ce qui limite les gains possibles par ce moyen. Pinel (2015) note que globalement, le taux de substitution atteint déjà de 25 à 30 % au Québec et qu’à la cimenterie de Joliette, les 50 000 tonnes de matière résiduelle utilisées chaque année comblent de 35 à 40 % des besoins en énergie. La cimenterie McInnis prévoit brûler environ 100 000 tonnes de biomasse forestière par année, ce qui couvre environ 30 % de ses besoins en énergie.

La disponibilité de la biomasse est limitée et la difficulté de la transporter sur de longues distances réduit son intérêt dans certains cas. Toutefois, la chaleur élevée de la combustion dans les cimenteries permet de détruire plusieurs substances chimiques qui contaminent des sources variées de résidus. Selon Pinel (2015) ceci ouvre la voie à l’utilisation des combustibles suivants :

• Résidus de construction, de rénovation et de démolition

• Bois traité, dont poteaux électriques et traverses de chemin de fer

• Huiles usées (hydrocarbures)

• Pneus

En pratique, comme les politiques favorisent le recyclage des pneus, la valorisation énergétique ne représente plus que 3 % des 8 millions de pneus jetés chaque année au Québec.

Bien que l’utilisation de tous ces combustibles de substitution soit généralement considérée comme une mesure efficace de réduction des émissions de GES, elle n’est pas sans problèmes. La manipulation de substituts variés peut mener à l’augmentation de la consommation électrique et la biomasse, chargée d’humidité, peut réduire l’efficacité de la combustion (Department for Business, Energy & Industrial Strategy, 2017b).

Néanmoins, une étude menée en Grande-Bretagne montre que la généralisation de ces mesures pourrait réduire les émissions des cimenteries par rapport au mix énergétique utilisé en 2010 (Griffin, 2016). Une autre étude menée en Grande-Bretagne conclut à la possibilité de réduire les émissions de GES de 28 % d’ici 2050 à l’aide de la biomasse (Department for Business, Energy & Industrial Strategy, 2017b). Il importe de rappeler que ces réductions ne s’appliquent qu’aux émissions liées au carburant, qui ne représentent que de 35 à 40% des émissions directes totales (Pinel, 2015).

Modifications à la composition du ciment

Le clinker, obtenu par la calcination à haute température de divers éléments, représente normalement plus de 90% de la masse du ciment Portland. Comme sa fabrication est énergivore, il y a un réel intérêt à en remplacer une partie par d’autres produits ou à le fabriquer à partir de matériaux exigeant moins d’énergie pour leur transformation.

L’approche comporte toutefois deux limites. D’une part, l’usage accru de substituts a pour effet de modifier les propriétés du ciment, ce qui peut le rendre impropre à certaines applications ou exiger des changements du Code du bâtiment. D’autre part, les matières premières de substitution doivent être disponibles en quantités suffisantes dans des lieux qui permettent de les ajouter efficacement à la chaîne logistique de l’industrie (Wyns, 2016).

Les principales techniques à l’étude sont les suivantes :

Réduction de la proportion de clinker. La plupart des ciments Portland contiennent déjà de 5 à 10 %, de matériaux de substitution. Il s’agit le plus souvent de cendres de combustion, de laitier de haut-fourneau, de matériaux pouzzolaniques ou de calcaire directement ajouté au ciment. On peut augmenter la proportion de ces matériaux jusqu’à 30, voire 40 % du total. La fabrication exige de la sorte moins d’énergie et présente une empreinte carbone réduite, mais les propriétés et les usages du produit fini diffèrent alors sensiblement de ceux du ciment Portland (Department for Business, Energy & Industrial Strategy, 2017b). Certains de ces matériaux, comme les cendres de combustion de charbon et le laitier, se font également plus rares dans l’économie moderne, ce qui limite leur utilisation (Griffin, 2016).

Parmi les approches de substitution, notons l’utilisation de la poudre de verre, qui a fait l’objet d’essais poussés au Québec. Le verre réduit en poudre peut remplacer de 20 à 30 % du clinker dans la composition du ciment. Il a un effet globalement positif sur la durabilité du béton, augmentant son imperméabilité à l’eau, au gaz et aux ions chlorure, de même que sa résistance aux cycles de gel et dégel (Pinel, 2015). De nouvelles technologies de fragmentation permettent aussi de recycler une partie du ciment récupéré lors de travaux de démolition. Mais les coûts énergétiques du recyclage du béton le rendent non rentable dans le contexte actuel (Wyns, 2016).

Fabrication du clinker à partir d’autres matériaux. Il s’agit de remplacer le clinker de calcaire, en tout ou en partie, par du ciment produit à partir de matériaux dont la transformation exige moins d’énergie. Les candidats les plus souvent évoqués sont :

• Kaolin : Cette forme d’agile, déjà utilisée dans la fabrication de céramique et de papier, se transforme en aluminosilicate pouvant se substituer au clinker classique après un traitement thermique. Selon Griffin (2016) les réductions d’émissions liées à ce procédé pourraient atteindre de 80 à 90 %. Le procédé n’en est qu’au stade de l’essai commercial à petite échelle. Bien que le Québec comporte des gisements de kaolin, principalement dans les Laurentides et en Outaouais, certains sont déjà épuisés et il n’est pas certain que ceux qui subsistent pourraient alimenter une industrie de grande ampleur comme celle du ciment (Énergie et Ressources naturelles Québec, 2013a).

• Résidus de sites d’enfouissement : Ce matériau repose sur l’utilisation d’un ensemble de techniques connues sous le nom d’exploitation améliorée des décharges et visant à utiliser le contenu des décharges à la fois comme source de matériaux et d’énergie. L’une des technologies envisagées utiliserait un système mixte gaz-plasma pour obtenir à la fois du gaz de synthèse et un géopolymère nommé plasmarok, pouvant être utilisé comme substitut du clinker. Il existe pour le moment peu de renseignements publics sur ce procédé, mais selon Wyns (2016), sa généralisation en Europe permettrait de réduire les émissions liées à la production de ciment de 3 à 11 % environ.

• Sulfoaluminates de calcium : Lafarge a développé un ciment à base de sulfoaluminate de calcium appelé Aether. Il repose sur un plus faible taux de calcaire et un broyage moins énergivore et le procédé exige une température plus basse (1300 °C, contre 1500 °C pour le clinker ordinaire). On lui prête des propriétés similaires à celles du ciment Portland, tout en produisant de 20 à 30 % moins de CO₂. Il a été essayé avec succès à l’échelle industrielle et utilise de surcroît les fours conventionnels conçus pour la production de ciment Portland, évitant d’avoir à faire de coûteuses transformations. Ce type de ciment a d’abord été expérimenté en Chine dans les années 1970, mais son utilisation demeure limitée à certaines niches en raison d’un coût plus élevé, dû à la proportion plus importante d’aluminium dans la formulation (Pinel, 2015).

• Magnésite : Ce minerai de magnésium, une fois transformé, produit un mélange d’oxyde de magnésium et de carbonate de magnésium dont les propriétés sont similaires à celle du ciment Portland. Le procédé exige une chaleur inférieure à celle du clinker traditionnel (650 °C) et exigerait donc moins d’énergie. Mieux encore, la réaction chimique produisant le carbonate de magnésium absorbe du CO₂, ce qui en fait un procédé à émissions partiellement ou totalement négatives (Åhman, 2012; Wyns, 2016). Griffin (2016) parle de réduction des émissions de l’ordre de 60 à 113 % pour ce procédé qui n’en est encore qu’à l’étape du projet pilote. Il existe toutefois peu de gisements de magnésite au Québec, ce qui limite le possible recours à ce matériau. L’un se trouve dans la région de Thetford Mines, un autre dans les monts Otish, et deux sont situés en Gaspésie (Énergie et Ressources naturelles Québec, 2013 b).

Toute nouvelle forme de ciment exigera des essais à long terme pour en évaluer les propriétés, dont leurs caractéristiques de durcissement et de durabilité. Un des atouts techniques du ciment Portland demeure son alcalinité, qui protège les barres d’armature en acier des grands ouvrages d’art contre la corrosion. Les nouveaux ciments devront faire leurs preuves dans des applications de niche et leur déploiement pourrait prendre du temps (Åhman, 2012).

Capture et utilisation du carbone

Les techniques générales de capture du carbone ont été décrites plus haut et il est inutile de revenir sur les détails. Il suffit ici de mentionner qu’en raison des limites de l’efficacité énergétique, des carburants de substitution et des formules de clinker, les chercheurs estiment que la capture et la séquestration du carbone auront un rôle important à jouer dans la réduction des émissions de l’industrie du ciment. Wyn (2018) estime que la construction de pipelines pour le transport du CO₂ représentera des défis considérables, tant en matière de financement que d’acceptabilité sociale.

Une usine de Taïwan, qui utilise la capture par un procédé au calcium depuis juin 2013, donne une idée de l’échelle et des coûts en cause. Elle retire environ une tonne de carbone à l’heure d’un flux de 3,1 tonnes de CO₂ et consomme 0,2 tonne de calcaire à l’heure. Environ 85% du CO₂ est absorbé, à un coût de 40 dollars américains par tonne (Wyns, 2016).

Le Department for Business, Energy & Industrial Strategy (2017 b) estime, en contexte britannique, qu’aucune technologie ne présente en pratique autant de potentiel de réduction des émissions que la capture et l’utilisation du carbone dans l’industrie du ciment. Barrett (2018) pense aussi que la capture jouera un rôle important d’ici 2050, notamment parce que plusieurs des économies possibles ont déjà été obtenues depuis 1973.

Bibliographie :

Åhman, M., Nikoleris, A. et Nilsson, L.J. (2012). Decarbonising industry in Sweden an assessment of possibilities and policy needs. Report No. 77, Lund University, Department of Technology and Society Environmental and Energy Systems Studies, 2012. https://www.naturvardsverket.se/upload/miljoarbete-i-samhallet/miljoarbete-i-sverige/klimat/fardplan-2050/decarbonising-industry-sweden-lunds-univ.pdf

Barrett, J., et alii (2018), « Industrial energy, materials and products: UK decarbonisation challenges and opportunities », in Applied Thermal Engineering 136 (2018) 643–656. http://eprints.whiterose.ac.uk/130196/1/Industrial%20Energy%2C%20Materials%20and%20Products%20Paper.pdf

Department for Business, Energy & Industrial Strategy (2017b), Cement Sector Joint Industry – Government Industrial Decarbonisation and Energy Efficiency Roadmap Action Plan, Department for Business, Energy & Industrial Strategy (Grande-Bretagne), octobre 2017. https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/651222/cement-decarbonisation-action-plan.pdf

Énergie et Ressources naturelles Québec (2013a), Exploration du kaolin https://mern.gouv.qc.ca/mines/industrie/mineraux/mineraux-exploration-kaolin.jsp

Énergie et Ressources naturelles Québec (2013 b), Exploration de la magnésite et de brucite. https://mern.gouv.qc.ca/mines/industrie/mineraux/mineraux-exploration-magnesite.jsp

Enova SF (2017), Towards a low-emission Norwegian industry, novembre 2017. https://www.enova.no/download/?objectPath=upload_images/F6D040858AAB4707B5B7AA985EBC0D0F.pdf&filename=Towards%20a%20low-emission%20Norwegian%20industry.pdf

Griffin, P. et alii (2016) « Industrial energy use and carbon emissions reduction: a UK perspective », WIREs Energy Environ 2016, 5:684–714.  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/wene.212

Lytton, W. (2018) Barriers to Industrial Decarbonisation, Sandbag, mai 2018. http://www.ourenergypolicy.org/wp-content/uploads/2018/05/Sandbag_barriers-to-industrial-decarbonisation_Report_final.pdf

McKinsey (2009), Pathways to a Low-Carbon Economy, Version 2 of the Global Greenhouse Gas Abatement Cost Curve, 2009. https://www.mckinsey.com/~/media/McKinsey/Business%20Functions/Sustainability%20and%20Resource%20Productivity/Our%20Insights/Pathways%20to%20a%20low%20carbon%20economy/Pathways%20to%20a%20low%20carbon%20economy.ashx

Pinel, P. (2015). Perspectives d’amélioration du bilan environnemental des cimenteries québécoises, Mémoire de maîtrise en environnemental, Université de Sherbrooke, 2015. https://savoirs.usherbrooke.ca/bitstream/handle/11143/7973/Pinel_Patrick%2520_MEnv_2015.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Wyns, T, et Axelson, M. (2016). Decarbonising Europeʼs energy intensive industries : The Final Frontier. Institute for European Studies Vrije, Universiteit Brussel, 2016. https://www.ies.be/files/The_Final_Frontier_Wyns_Axelson_0.pdf