Comment les cimenteries peuvent éliminer le CO₂ de l'atmosphère
Une nouvelle analyse du cycle de vie montre comment la technologie DAC avec boucle de calcium peut réduire de 78 % l'impact climatique de la production de ciment
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La production de ciment figure parmi les plus grandes sources industrielles mondiales de CO₂. Une nouvelle étude montre désormais comment la production de ciment pourrait, à l’avenir, servir à éliminer le CO₂ de l’atmosphère, grâce à une technologie utilisant la chaux.
Le ciment est l’un des matériaux de construction les plus demandés de notre époque. Chaque année, environ quatre milliards de tonnes sont produites. La production de ciment est très gourmande en énergie et génère des émissions de gaz à effet de serre, notamment lors de la décomposition thermique du calcaire, la principale matière première naturelle du ciment.
Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’ETH montrent que ces émissions pourraient être considérablement réduites si la production de ciment était associée à une technologie permettant le captage direct du CO₂ dans l’atmosphère, connue sous le nom de « Direct Air Capture » (DAC).
Selon les calculs des chercheurs du groupe dirigé par André Bardow, professeur d’ingénierie des systèmes énergétiques et des procédés, l’impact climatique de la production de ciment pourrait être considérablement réduit d’ici 2050. À l’heure actuelle, celle-ci est responsable de 5 à 8 % des émissions mondiales de CO₂. « Du point de vue climatique, la combinaison de la DAC et de la production de ciment est très prometteuse », a déclaré Vittoria Bolongaro, doctorante travaillant avec André Bardow et autrice principale de la publication.
Exploiter les synergies
Pour cette étude, les chercheurs ont collaboré avec la société américaine Heirloom Carbon Technologies. Cette entreprise est l’un des principaux développeurs mondiaux de la technologie DAC basée sur le « calcium looping » – un procédé qui utilise un cycle chimique impliquant divers composés calciques. Le carbonate de calcium sert de matière première, c’est-à-dire le calcaire, qui est extrait dans le monde entier. Les usines de DAC utilisant le « calcium looping » et les cimenteries fonctionnent avec les mêmes composés de calcium et emploient le même procédé : le calcaire est chauffé jusqu’à ce qu’il se décompose en chaux vive et en CO₂ – un processus appelé calcination.
Dans le cadre d’une production intégrée de ciment utilisant la technologie DAC par « calcium looping », un four alimenté à l’électricité plutôt qu’aux combustibles fossiles, tels que le charbon ou le gaz, est utilisé pour la calcination. Cela permet d’éviter les émissions de gaz à effet de serre provenant du four de combustion. Parallèlement, le CO₂ produit lors du processus de calcination peut être capté directement, car il n’est pas contaminé par les gaz d’échappement issus de la combustion. Selon les calculs de l’étude, l’électrification du four et le recours à la seule capture directe du CO₂ pourraient réduire l’impact climatique de la production de ciment de 78 % d’ici 2050.
Une fois que de l’eau a été ajoutée à la chaux vive, la chaux éteinte absorbe davantage de CO₂ de l’atmosphère et se transforme à nouveau en calcaire, qui peut ensuite être réutilisé comme matière première pour la production de ciment. Plus le calcium subit ce cycle de contact avec l’air avant d’être transformé en ciment, plus l’usine élimine de CO₂ de l’atmosphère. Le CO₂ capté dans l’atmosphère n’est pas piégé dans le ciment. Il est au contraire comprimé et acheminé vers des sites de stockage souterrains.
Chiffres concrets
« Heirloom était un partenaire idéal pour nous, car l’entreprise exploite déjà les premiers systèmes DAC de type “calcium looping” à l’échelle commerciale », a souligné M. Bolongaro. En Californie, l’entreprise exploite depuis 2023 une usine d’une capacité nominale annuelle de 1 000 tonnes de CO₂.
Une autre usine, nettement plus grande, doit être construite en Louisiane dans les années à venir. « Cette collaboration a été bénéfique pour les deux parties : notre partenaire souhaitait en savoir plus sur l’empreinte environnementale de la technologie – et nous avons pu fonder nos calculs et nos scénarios sur des données industrielles primaires issues d’exploitations réelles », explique M. Bolongaro.
La présente étude constitue la première analyse prospective du cycle de vie du DAC utilisant le « calcium looping » à l’échelle industrielle. Pour mener cette analyse, les chercheurs ont pris en compte non seulement l’exploitation de l’usine, mais aussi l’ensemble des impacts environnementaux tout au long de la chaîne de processus, depuis l’extraction des matières premières jusqu’au stockage du CO₂ capté, en passant par la construction et l’exploitation de l’usine.
Dans un premier temps, Mme Bolongaro et son équipe ont cherché à déterminer si les installations commerciales de plus grande envergure éliminaient, sur l’ensemble de leur cycle de vie, davantage de CO₂ qu’elles n’en produisaient. Dans un deuxième temps, les chercheurs ont examiné si la réduction des émissions de CO₂ se faisait au détriment d’autres facteurs environnementaux, tels que l’utilisation de l’eau ou des sols.
Leurs résultats ont montré que la part de loin la plus importante de l’empreinte environnementale est imputable à l’énergie nécessaire au processus, car la capture du CO₂ dans l’air est très gourmande en énergie. Cela vaut également pour d’autres procédés DAC. Dans le cadre de cette étude, divers scénarios énergétiques ont donc été testés : l’exploitation de l’installation avec le mix électrique américain actuel, l’utilisation d’un mix électrique fortement décarboné comprenant de l’énergie éolienne et solaire, et le recours à un système entièrement autonome avec des panneaux photovoltaïques et un stockage par batterie.
« Nous avons pu démontrer que cette technologie présente une empreinte carbone nette négative ; en d’autres termes, les usines commerciales de DAC par boucle de calcium avec stockage du CO₂ éliminent plus de CO₂ qu’elles n’en génèrent sur l’ensemble de leur cycle de vie », explique M. Bolongaro. « Selon le mix énergétique utilisé dans nos projections, l’efficacité de l’élimination du CO₂ d’ici 2050 se situe entre 85 et 96 % ». En d’autres termes : pour chaque tonne de CO₂ captée et stockée, 40 à 150 kg de CO₂ sont générés au cours de la chaîne de traitement. Ces chiffres sont comparables à ceux d’autres systèmes DAC. L’alimentation de l’usine par des énergies renouvelables permet d’atteindre le rendement le plus élevé.
Ce que l’essai sur le terrain doit encore démontrer
« Le principal avantage des installations DAC utilisant le cycle du calcium réside dans le fait que cette technologie peut être intégrée à un processus de production de ciment bien établi », explique M. Bolongaro. Les adaptations nécessaires pour intégrer le DAC à la production de ciment sont relativement simples.
Tout d’abord, des contacteurs d’air supplémentaires sont nécessaires pour capter le CO₂ de l’atmosphère. De plus, le four dans lequel le calcaire est calciné à haute température doit être alimenté par une énergie à faible teneur en carbone ou sans carbone afin de garantir une élimination nette aussi élevée que possible.
« D’un point de vue climatique, cette approche est très prometteuse en tant que solution évolutive s’intégrant aux chaînes d’approvisionnement industrielles existantes, tout en faisant progresser la décarbonisation du secteur du ciment », souligne M. Bolongaro. Une étude plus approfondie des limites physiques et économiques de cette intégration s’impose désormais.
Les principaux calculs de l’étude reposent sur des scénarios futurs allant jusqu’en 2050 et tablent sur des progrès significatifs en matière de décarbonisation de l’approvisionnement en électricité. De plus, certains composants de l’installation, en particulier les fours de calcination électriques à chauffage indirect, ne sont pas encore utilisés à grande échelle dans l’industrie. Il reste donc à déterminer si le système peut être exploité de manière rentable ; une analyse détaillée des coûts n’a pas fait partie de l’étude à ce jour.
Par conséquent, pour Bolongaro, ces résultats constituent un point de départ important qui met en évidence le potentiel climatique de cette approche.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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