L’électricité et le ciment recyclé peuvent être utilisés pour produire la bélite, souvent employée dans la construction d’ouvrages massifs tels que les barrages.
Le ciment est un élément essentiel (le jeu de mots est voulu) à la construction de la civilisation. Cependant, son processus de fabrication en fait également un fléau pour l’environnement, avec une empreinte carbone comparable à celle de l’industrie aéronautique. Des scientifiques de l’Université de Colombie-Britannique ont mis au point une méthode permettant de réduire considérablement l’empreinte carbone du ciment grâce à l’électricité.
Leur procédé, décrit dans ACS Energy Letters , réduit considérablement les besoins en chauffage extrême de la fabrication du ciment grâce à une étape de préchauffage par conversion électrochimique. Cette approche utilise également du ciment et du béton recyclés pour obtenir une empreinte carbone encore plus faible.
Le ciment est l’un des matériaux industriels les plus utilisés au monde. L’humanité en produit environ 4 milliards de tonnes chaque année, en mélangeant cette fine poudre avec de l’eau, du sable et des granulats comme le gravier pour créer du béton et du mortier utilisés dans la construction de bâtiments, de ponts, de routes, de tunnels, de barrages et d’innombrables autres infrastructures. De fait, une grande partie de la civilisation moderne repose littéralement sur ce matériau.
L’omniprésence du ciment tient à sa remarquable durabilité et à sa résistance à la compression, qui permettent aux structures de perdurer pendant des décennies, voire des siècles. Malheureusement, ce matériau est aussi au cœur de l’un des plus grands problèmes climatiques industriels de la planète. On estime que la production de ciment est responsable d’environ 8 % des émissions mondiales de CO₂, soit plus que l’ensemble du secteur aérien.
L’essentiel du problème ne réside pas dans le ciment fini lui-même, mais dans son processus de fabrication.
La production moderne de ciment commence principalement avec du calcaire (carbonate de calcium, CaCO₃) et des minéraux riches en silice comme l’argile ou le sable. Ces matières premières sont introduites dans d’immenses fours rotatifs et chauffées à des températures avoisinant les 1 450 °C (2 600 °F), ce qui provoque une fusion partielle et une transformation chimique du mélange en nodules durcis appelés clinker : le matériau intermédiaire est ensuite broyé en la fine poudre que nous connaissons sous le nom de ciment. Le clinker est principalement composé de minéraux silicatés de calcium, notamment l’alite et la bélite, composés qui confèrent au ciment sa résistance et son comportement de durcissement.
Un échantillon de clinker prélevé dans un four 凰兰时罗/CC 4.0
Or, ce procédé présente un double problème qui génère des émissions de deux manières distinctes.
Tout d’abord, le maintien de températures suffisamment élevées dans les fours pour faire fondre partiellement la roche exige d’énormes quantités d’énergie, traditionnellement fournies par la combustion de charbon, de coke de pétrole ou de gaz naturel. Les fours à ciment figurent parmi les systèmes industriels les plus énergivores au monde.
Deuxièmement, et surtout, la chimie du procédé libère directement du dioxyde de carbone. Lors du chauffage du calcaire, celui-ci subit une décomposition thermique, appelée calcination, se transformant en oxyde de calcium et en CO₂. Ce processus implique qu’une part importante des émissions du ciment est intrinsèquement liée à sa fabrication, ce qui rend la décarbonation de ce secteur particulièrement difficile, même avec l’utilisation d’électricité renouvelable.
Pour atténuer ces problèmes, les chercheurs se sont tournés vers une approche différente : l’électrochimie.
Au lieu de recourir presque exclusivement à d’immenses fours chauffés aux combustibles fossiles pour la formation du ciment, l’équipe a mis au point un réacteur électrochimique continu capable de convertir le calcaire et la silice en hydrate de silicate de calcium grâce à l’électricité. Les chercheurs désignent ce matériau sous le nom d’hydrate de silicate de calcium synthétisé électrochimiquement, ou eCSH.
Ce nouveau procédé modifie le processus de formation des minéraux du clinker.(1) Au lieu d’utiliser une chaleur extrême pour produire le clinker, l’énergie électrique stimule le transport d’ions et les réactions chimiques au sein du réacteur, assemblant le matériau précurseur, l’eCSH, dans des conditions beaucoup plus douces, avant qu’une étape de chauffage ultérieure ne le transforme en clinker riche en bélite.
- Constituant du ciment obtenu par calcination d’un mélange d’acide silicique d’alumine, d’oxyde de fer et de chaux. Moulu puis additivé avec des laitiers de hauts-fourneaux par exemple, le clinker sert à fabriquer le ciment, entrant lui-même dans la liste des constituants du béton.
« Notre équipe était motivée par la volonté de réduire les émissions liées à la production de ciment à la source », explique Curtis Berlinguette, co-auteur de l’étude. « Nous avons utilisé de l’électricité et du ciment recyclé pour fabriquer des précurseurs qui ont permis de former un type de ciment appelé bélite à des températures plus basses que celles connues jusqu’alors. »
Point crucial, la conversion électrochimique initiale s’est produite à seulement 60 °C, une température nettement inférieure à celles requises pour la fabrication conventionnelle du ciment. La seconde étape de chauffage effectue la conversion finale à 650 °C.
Bien que cette température soit encore élevée selon les normes habituelles, elle est bien inférieure aux températures d’environ 1200 °C généralement requises pour former de la bélite à l’aide de méthodes conventionnelles, et bien inférieure aux températures de 1450 °C utilisées dans la production ordinaire de clinker de ciment Portland.
Cela représente une réduction considérable de la demande thermique industrielle. Des températures de réaction plus basses se traduisent par une consommation de combustible moindre, des coûts d’exploitation réduits, une diminution des contraintes sur le four et un processus de fabrication beaucoup plus facile à électrifier grâce aux énergies renouvelables.
D’après les chercheurs, cette nouvelle approche a permis de réduire la demande globale en énergie thermique d’environ 70 % par rapport à la production de ciment conventionnelle.
Les chercheurs ont également démontré un autre avantage potentiellement important : la possibilité de produire de l’eCSH à partir de ciment recyclé issu de la démolition de béton plutôt que de calcaire fraîchement extrait. Grâce à cette possibilité, les anciens matériaux cimentiers pourraient théoriquement servir de matière première pour la production de ciment bas carbone, ouvrant ainsi la voie à un cycle de fabrication plus circulaire pour l’un des matériaux industriels les plus consommés au monde.
Le nouveau procédé permettrait de recycler les déchets de béton.
L’utilisation de matières premières de ciment recyclées a permis d’obtenir les chiffres d’émissions les plus impressionnants de l’étude. Les chercheurs ont estimé que le procédé n’émettait qu’environ 20 kg de CO₂ par tonne de clinker riche en bélite produite, contre environ 800 kg de CO₂ par tonne lors de la production conventionnelle de ciment Portland ordinaire, soit une réduction de près de 98 %.
Autre avantage, les réactions électrochimiques ont également produit de l’hydrogène gazeux comme sous-produit. Selon les chercheurs, cet hydrogène pourrait être brûlé pour fournir l’énergie thermique nécessaire à la seconde étape de cuisson, réduisant ainsi, voire éliminant, le recours aux combustibles fossiles lors de la production.
Bien que le ciment riche en bélite qui en résulte ne puisse pas remplacer tous les types de ciment utilisés aujourd’hui, il pourrait s’avérer particulièrement utile dans les projets d’infrastructures de grande envergure tels que les barrages, où les formulations à base de bélite sont appréciées pour générer moins de chaleur pendant le durcissement, réduisant ainsi le risque de fissuration interne lors des coulées de béton de grande taille.
Bien que cette technologie reste au stade de la recherche, ces travaux présentent l’une des voies les plus crédibles proposées à ce jour pour réduire considérablement l’empreinte environnementale de l’un des matériaux industriels les plus essentiels et les plus polluants de l’humanité.
Les auteurs de l’article sont cofondateurs d’une entreprise qui commercialise cette technologie. Leur institution, l’Université de Colombie-Britannique, a déposé une demande de brevet international pour ce procédé.
