- Le béton étant le matériau le plus utilisé au monde après l’eau, les technologies visant à réduire les émissions de CO₂ du ciment ont un impact direct sur la réponse climatique du secteur de la construction
- Des chercheurs de Cambridge ont développé une méthode qui consiste à traiter du ciment usagé dans un four à arc électrique (EAF) destiné au recyclage de l’acier, afin de réduire simultanément les émissions de la production de béton et d’acier
- Le cœur du procédé consiste à remplacer le fondant à la chaux utilisé dans le recyclage de l’acier par du ciment usagé, transformant ainsi les scories, habituellement mises au rebut, en ciment recyclé utilisable dans du nouveau béton
- Des essais au Materials Processing Institute ont confirmé pour la première fois une production à l’échelle fondée sur un four à arc électrique ; si l’EAF est alimenté par des énergies renouvelables, un ciment sans émissions pourrait être possible à long terme
- Le procédé Cambridge Electric Cement vise une production annuelle de 1 milliard de tonnes d’ici 2050, soit environ un quart de la production annuelle actuelle de ciment
Comment refaire du ciment dans un four à arc électrique
- Des chercheurs de Cambridge ont développé une méthode qui utilise un four à arc électrique employé pour le recyclage de l’acier afin de recycler également le ciment
- Cette méthode a été présentée dans l’étude Electric recycling of Portland cement at scale, publiée dans la revue Nature
- Dans le recyclage classique de l’acier, on utilise un fondant à la chaux pour éliminer les impuretés, et le produit du traitement devient généralement un déchet de scories
- Si le ciment usagé remplace le fondant à la chaux, le produit final devient un ciment recyclé utilisable dans du nouveau béton
- Ce procédé réduit le besoin en fondant à la chaux et diminue les émissions des deux côtés, sans ajouter de coûts significatifs à la production de béton ou d’acier
Pourquoi les émissions du ciment sont importantes
- Le béton est fabriqué à partir de sable, de gravier, d’eau et de ciment, ce dernier jouant le rôle de liant
- Même si le ciment ne représente qu’une faible part du béton, il est responsable de près de 90 % des émissions du béton
- La production traditionnelle de ciment passe par un procédé de clinkérisation (clinkering), dans lequel le calcaire et les matières premières sont broyés puis chauffés dans un grand four à environ 1 450 °C
- Au cours de ce processus, le calcaire est décarbonaté en chaux, ce qui émet de grandes quantités de CO₂
- Depuis dix ans, des scientifiques étudient des moyens de remplacer environ la moitié du ciment dans le béton par des substituts comme les cendres volantes, mais ces matériaux ont besoin de l’activation chimique du ciment restant pour durcir
- Julian Allwood estime que la demande mondiale de ciment atteint environ 4 milliards de tonnes par an, et qu’il est physiquement difficile de disposer de volumes suffisants avec ces seuls substituts
Une expérience reliant béton usagé et scories de sidérurgie
- L’idée de départ est qu’en concassant du vieux béton, en retirant le sable et les pierres, puis en chauffant le ciment, l’eau peut être éliminée et le clinker peut se reformer
- La clinkérisation nécessite de la chaleur et une combinaison appropriée d’oxydes ; le ciment usagé contient ces composants, mais il doit être réactivé
- Les chercheurs ont ajouté aux déchets de démolition de la chaux, de l’alumine et de la silice pour créer différentes scories, puis les ont traitées avec de l’acier fondu dans l’EAF du Materials Processing Institute avant de les refroidir rapidement
- Selon Cyrille Dunant, la combinaison de clinker de ciment et d’oxyde de fer produit des scories de sidérurgie qui moussent bien et s’écoulent facilement
- En équilibrant la composition et en refroidissant les scories suffisamment vite, il est possible d’obtenir du ciment réactivé sans ajouter de coût au procédé sidérurgique
- Ce ciment recyclé contient plus d’oxyde de fer que le ciment traditionnel, mais son impact sur les performances est jugé faible
Objectif : produire 1 milliard de tonnes en 2050
- Des essais récents du Materials Processing Institute ont montré qu’il était possible de produire à l’échelle du ciment recyclé dans un four à arc électrique, une première
- Le procédé Cambridge Electric Cement passe rapidement à l’échelle
- D’ici 2050, il pourrait permettre une production annuelle de 1 milliard de tonnes, soit environ un quart de la production annuelle actuelle de ciment
- Si l’EAF est alimenté par des énergies renouvelables, cette méthode pourrait mener à long terme à une production de ciment sans émissions
- Les chercheurs ont déposé un brevet sur ce procédé afin d’en soutenir la commercialisation
Réduire l’usage du béton est aussi important que la technologie
- Allwood affirme que produire du ciment sans émissions serait un « absolute miracle », mais qu’il faut aussi réduire l’utilisation de ciment et de béton
- Le béton est bon marché, solide et peut être fabriqué presque partout, mais il estime que les volumes actuellement utilisés sont excessifs
- Il est possible de réduire fortement l’usage du béton sans diminuer la sécurité, mais cela nécessite une volonté politique
- Cambridge Electric Cement pourrait être non seulement une percée pour le secteur de la construction, mais aussi le signe que les opportunités d’innovation dans la transition vers le zéro émission vont au-delà du secteur de l’énergie
1 commentaires
Avis sur Hacker News
Étonnamment, le béton est recyclé au moyen de grands fours à arc électrique utilisés pour le recyclage de l’acier. Si l’on alimente ces fours à l’énergie solaire, on peut envisager du béton sans émissions
Le béton représentant actuellement 7,5 % des émissions de carbone d’origine humaine, cela pourrait faire une grande différence. Les fours à arc consomment énormément d’énergie, mais si le solaire double tous les deux ans, il y aura à certaines heures de la journée un surplus d’électricité ingérable, et les fours à arc sont un bon moyen d’absorber les prix spot négatifs de l’électricité
Selon https://ourworldindata.org/grapher/electricity-prod-source-s..., la production mondiale d’électricité renouvelable était de 10 700 TWh en 2021 et de 11 600 TWh en 2023 ; la production d’acier brut en 2023 était de 1,5 milliard de tonnes, dont 30 % produites dans des fours électriques. Même en supposant que 20 % de ces 30 % utilisent déjà de l’électricité renouvelable, il reste 24 %, soit 360 millions de tonnes, nécessitant de l’électricité verte, et 360 millions × 0,4 MWh = 144 TWh seraient nécessaires. Sans cette hypothèse, on serait autour de 152 TWh ; en théorie, en consacrant environ 1,5 % de l’électricité renouvelable mondiale, on pourrait remplacer 24 % de la production d’acier brut issue de fours électriques. Comme la croissance de l’électricité renouvelable mondiale était de +5 %, verdir la production d’acier semble théoriquement possible en un an, et même si les chiffres sont faux à 100 %, on parle d’environ deux ans. Mais si ces 5 % ne s’accompagnent pas d’une baisse de 5 % de la consommation de charbon et de gaz, cela ne sert à rien, et dans la réalité ce n’est pas le cas
Même à grande échelle, cela ne réduira probablement que légèrement ces 7,5 %
https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=50357
On peut dessaler de l’eau ou miner des cryptomonnaies, et si des robots dotés de capacités de niveau humain apparaissent, on pourra augmenter indéfiniment la production de tout
C’est une découverte très intéressante, mais aujourd’hui déjà, le ciment usagé ne part pas tel quel en décharge
La plupart du ciment devient du béton, et le béton concassé en différentes tailles est un matériau utile, utilisé notamment dans la construction routière comme granulat moins cher que la pierre concassée. Dans ma région, quand je vois une annonce pour du béton concassé et que j’appelle, il est souvent déjà vendu. Comme les sols alentour sont faits d’argile et de sable, ce type de matériau semble toujours manquer
Les débris de béton ont une valeur de récupération même sur chantier. Pour les recycler de cette façon, il faut les transporter jusqu’à une installation de broyage, les concasser, les séparer, puis les transporter à nouveau vers un four, et ce n’est qu’ensuite que commence le procédé décrit dans l’article
La partie « si c’est possible, c’est énorme » semble résider dans la réduction du béton en pâte de ciment hydratée
L’article scientifique : https://www.nature.com/articles/s41586-024-07338-8
L’article indique que la pâte de ciment récupérée (RCP) n’est actuellement pas disponible à l’échelle commerciale, et que la valeur des granulats récupérés améliorés n’est pas assez élevée pour couvrir les coûts de traitement supplémentaires, si bien que la RCP est actuellement mise en décharge. Il précise toutefois que le savoir-faire et les technologies nécessaires à une production de RCP à grande échelle existent, en citant [22]
22. Thermomechanical beneficiation of recycled concrete aggregates (RCA) : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095006182...
Or l’article cité ne soutient pas l’affirmation selon laquelle il existe une technologie permettant de recycler le béton en RCP. Il traite du retrait du mortier adhérent (AM) des granulats de béton recyclé (RCA)
Je suis content que ce sujet ait survécu même après le processus de signalement de HN.
J’aimerais aussi qu’on discute d’autres sources d’énergie décarbonées prometteuses, comme la géothermie par forage. C’est un peu hors sujet, mais les gens sont souvent surpris quand on leur dit NET-ZERO == MAX-CO2 == MAX-HEAT. Il est facile de penser qu’une fois le zéro émission nette atteint, la mission est accomplie ; en réalité, ce qui compte, c’est l’aire sous la courbe, c’est-à-dire la quantité totale de CO2/équivalent gaz à effet de serre que nous avons envoyée dans l’atmosphère, et ces gaz y restent longtemps.
Nous approchons déjà de +1,5 °C, et dans les conditions actuelles, où les émissions restent sur un plateau élevé, si la température augmente d’environ 0,25 à 0,3 °C par décennie, il est très probable qu’au moment où nous atteindrons le zéro émission nette vers 2050, nous soyons dans une fourchette de +2,5 à +3,0 °C. Comme je ne suis pas sûr que +2,5 °C soit viable pour de larges populations, j’en viens même à regarder des approches comme la gestion du rayonnement solaire (SRM). Par exemple, injecter des particules de soufre pour augmenter la couverture nuageuse et réduire la lumière solaire absorbée par les océans, afin de produire un effet de refroidissement net. Jusqu’à récemment, le soufre présent dans le carburant des porte-conteneurs avait cet effet, mais la teneur en soufre des carburants a ensuite été réduite par la réglementation.
Au fond, nous sommes entrés dans ce chaos en créant par géo-ingénierie une biosphère chaude et riche en CO2, et il semble qu’il nous faudra aussi de l’ingénierie pour en sortir. Il est tout de même rassurant de voir qu’il existe beaucoup de technologies qui semblent capables de remplacer les combustibles carbonés, de stocker l’énergie et de réduire la chaleur.
Deuxièmement, un financement continu doit être garanti. Si l’on fait de la SRM pendant 20 ans puis qu’on arrête soudainement, 20 ans d’aggravation du changement climatique se manifesteront d’un coup. Il faudra aussi le plus grand effort diplomatique de l’histoire de l’humanité pour faire participer presque tous les pays. Comme tous les pays seront affectés, l’absence d’accord pourrait mener à des conflits. Par exemple, la Russie espère des températures plus élevées et des saisons de culture plus longues.
Une autre approche consiste à ne pas construire des choses qu’il faudra démolir au bout de 10 ans. Une bonne partie des grands bâtiments en béton urbains ont été démolis en moins de 20 ans, et certains ont disparu en 10 ans.
C’est assez gaspilleur ; avec un peu de planification et de prévoyance, il doit sûrement y avoir de meilleures façons de faire.
L’idée est de remplacer le fondant utilisé dans le recyclage de l’acier par du béton usagé, afin d’obtenir du ciment recyclé au lieu de scories inutiles.
C’est une très bonne idée, mais il faut garder à l’esprit que même si toute la production mondiale d’acier passait à cette méthode, l’impact sur la production de ciment serait minime. L’acier représente environ 100 millions de tonnes/an, le ciment environ 4 milliards de tonnes/an.
https://www.statista.com/statistics/267264/world-crude-steel...
En 2022, la production mondiale d’acier brut était d’environ 1,9 milliard de tonnes. Cela dit, l’intuition selon laquelle l’effet sur la production de ciment serait faible est correcte.
Selon ce rapport, produire de l’acier neuf à partir de minerai nécessite environ 270 kg de calcaire par tonne d’acier, tandis que recycler l’acier dans un four à arc électrique en nécessite 88 kg.
https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-raw-mat...
La production mondiale d’acier est composée d’environ 35 % de recyclage et 65 % de production à partir de minerai. L’étude de Cambridge, qui s’applique donc à l’acier recyclé, pourrait remplacer environ 59 millions de tonnes de consommation de calcaire. C’est peu par rapport aux milliards de tonnes de ciment consommées dans le monde, mais cela peut avoir un intérêt local pour les collectivités disposant d’un four à arc électrique.
Les chercheurs de Cambridge ont découvert que le ciment usagé constituait un substitut efficace au fondant à la chaux. Dans ce cas, j’ai l’impression que ce béton n’est “recyclé” que comme matériau de substitution pendant la fabrication de l’acier.
Cette méthode sera difficile à passer à l’échelle. Même pour traiter seulement 1 % du béton que l’on voudrait recycler, il faudrait produire une quantité phénoménale d’acier en plus.
C’est un hack assez élégant.
La production de ciment est une source importante des émissions de dioxyde de carbone mondiales. C’est surprenant de voir que des méthodes efficaces de recyclage du ciment sont en cours de développement.