La société « Sublime » commercialise un procédé d’électrolyse qui génère de la chaux sans carbone pour une production de ciment et de béton totalement écologique.
Sublime Cement affirme qu’elle est prête à commencer la mise à l’échelle du « ciment le plus propre du monde », qui répond aux normes de performance de l’industrie en s’appuyant sur des électrolyseurs à température ambiante au lieu de fours alimentés par des combustibles fossiles, en utilisant une variété de matériaux d’entrée sans carbone.
Les procédés traditionnels de fabrication du béton produisent une tonne de CO2 pour chaque tonne de ciment produite – et comme nous parlons d’environ 4,1 milliards de tonnes au niveau mondial en 2022, dont plus de la moitié rien qu’en Chine, le ciment contribue massivement au changement climatique, puisqu’il est responsable d’environ 8 % des émissions de carbone dans le monde.
Le ciment contribue massivement au changement climatique, puisqu’il est responsable d’environ 8 % des émissions mondiales de carbone. Il s’agit donc d’une opportunité tout aussi importante : celui qui parviendra le premier à produire à l’échelle mondiale une alternative au ciment compétitive en termes de coûts et totalement exempte de carbone pourrait bien être assis sur une gigantesque machine à imprimer de l’argent lorsque les mandats de décarbonisation et les taxes sur le carbone commenceront à entrer en vigueur.
Les solutions de remplacement du béton à faible teneur en carbone et de capture du carbone ne manquent pas, mais Sublime Systems, une entreprise dérivée du MIT, est particulièrement intéressante, car elle adopte une nouvelle approche électrochimique de la fabrication du ciment qui est « véritablement sans carbone » plutôt que « nette sans carbone » ou « séquestrant le carbone » – en ce sens qu’elle peut éliminer totalement les émissions de carbone aux deux points clés où elles se produisent généralement dans le processus.
La chaux sans carbone produite est identique au produit actuel, qui est responsable d’une tonne d’émissions de CO2 par tonne de béton. Il s’agit d’un remplacement direct dans le processus de fabrication du béton prêt à l’emploi.
La technologie de production de ciment à zéro – ou ultra-faible – carbone de Sublime
Dans la fabrication habituelle du ciment, le calcaire est chauffé à environ 1 400 °C en brûlant des combustibles fossiles – la première source importante d’émissions – afin de produire de la chaux pure. Or, le calcaire est composé d’environ 50 % de dioxyde de carbone en poids, et lorsque la chaleur du four libère ce CO2, il est difficile de le capturer, puisqu’il est mélangé aux gaz de combustion.
L’approche de Sublime est totalement différente et repose sur l’électrolyse. Les cofondateurs de l’entreprise, Leah Ellis, Ph.D. et Dr. Yet-Ming Chiang, l’expliquent en détail dans un article publié sur Medium, mais les grandes lignes du processus sont les suivantes.
L’eau est divisée à un pH presque neutre, produisant des gaz d’hydrogène et d’oxygène, mais aussi un gradient de pH entre les deux électrodes. Un minéral calcique réagit avec l’acide formé à l’anode pour générer des ions calcium dissous, qui migrent ensuite vers la cathode. Lorsqu’ils atteignent un pH d’au moins 12,5, ils réagissent avec la base générée à la cathode pour précipiter sous forme d’hydroxyde de calcium solide – également connu sous le nom de chaux de construction ou de chaux éteinte.
Le processus de Sublime utilise l’électrolyse à température ambiante pour séparer le calcium nécessaire à partir d’une gamme de matériaux d’entrée différents
Cette chaux est un substitut qui alimente la fabrication traditionnelle du ciment. Sublime a développé ce procédé, disent les fondateurs, de sorte qu’il est désormais plus efficace sur le plan énergétique, qu’il élimine la production d’hydrogène, qu’il sépare les flux gazeux d’oxygène et de CO2, qu’il peut extraire la chaux en continu du réacteur et qu’il peut être fabriqué à l’aide d’un équipement d’électrolyse disponible sur le marché.
Le processus est assez flexible et fonctionne avec une grande variété de matières premières. Lorsque du calcaire de faible qualité est tout ce qui est économiquement disponible, il peut l’utiliser. Ce procédé ne peut pas éviter la production de CO2, mais au moins il en sort à l’état pur et froid, précomprimé à 10 bars et prêt à être facilement capturé et stocké, tout en utilisant beaucoup moins d’énergie et en créant beaucoup moins d’émissions que la production normale de ciment.
Pour un véritable ciment zéro carbone, le processus peut extraire le calcium pur des impuretés contenues dans la silice, le magnésium, le fer ou l’aluminium, par exemple, en les raffinant pour en faire des matériaux de qualité supérieure. Le plus important est que tout se passe à température ambiante, sans qu’il soit nécessaire de recourir à un four à combustion ou à un chauffage électrique.
Sublime affirme qu’il s’agit du « seul substitut évolutif, sans combustible fossile, au ciment traditionnel dans le béton ».
Atteindre un objectif clé de la certification
Il y a quelques jours, Sublime a annoncé que son produit avait obtenu la désignation ASTM C1157. Il s’agit d’une norme industrielle basée uniquement sur les exigences de performance, testant des paramètres tels que le développement de la résistance, la durabilité, le retrait, la rétention d’eau, la teneur en air, le temps de prise, la densité, la rigidité précoce et la fissuration, ce qui signifie que le ciment Sublime peut désormais être utilisé conformément aux principaux codes de construction américains et internationaux.
Curieusement, bien que la norme C1157 ait été créée il y a plus de 30 ans, en 1992, une grande partie de l’industrie fonctionne encore sur la base de normes antérieures élaborées en 1940 et 1967, qui se concentrent sur certaines exigences de performance clés, mais exigent également l’utilisation de ciment Portland, ou d’autres processus qui nécessitent un four à 1 400 °C.
La norme ASTM C1157 est entièrement basée sur les performances et ne prescrit pas l’utilisation du ciment Portland ou d’autres alternatives polluantes.
Comme l’explique Mme Ellis dans un second article publié sur Medium, l’ensemble du secteur doit passer à la norme ASTM C1157 si l’on veut que les innovations en matière de ciment sans carbone aient une chance d’être concurrentielles.
Progrès, commercialisation, délais et prix
Passons aux choses sérieuses : où en sera Sublime en 2023, quand commencera-t-elle à commercialiser « le ciment le plus propre du monde », combien de temps lui faudra-t-il pour atteindre une taille capable d’avoir un véritable impact sur les émissions de carbone mondiales, et quelle sera la prime verte sur les prix ?
« Notre objectif à long terme et nos prévisions sont qu’une fois que notre processus aura été mis à l’échelle et que la technologie aura atteint sa maturité, d’ici huit à dix ans peut-être, nous pourrons atteindre la parité des coûts avec la fabrication traditionnelle du ciment Portland », déclare le Dr Jesse Benck, vice-président de la R&D de Sublime, dans le cadre du podcast Invisible Strength. « En fin de compte, pour favoriser l’adoption la plus large possible, nous devons atteindre la parité des coûts avec les processus actuels. Nous savons que l’industrie est très sensible aux coûts, et c’est donc ce que nous visons pour avoir le plus grand impact possible.
« À court terme », poursuit-il, « nous proposons une toute nouvelle approche et une nouvelle technologie qui entrent en concurrence avec la fabrication du ciment Portland, vieille de plus de 100 ans, et qui est une industrie énorme, d’envergure mondiale et techniquement mature. La réalité est donc qu’à court terme, le processus est un peu plus coûteux, mais au moins pour notre première installation de fabrication à grande échelle, nous prévoyons que notre coût sera inférieur à celui du ciment Portland plus la capture du carbone ».
Chaux sans carbone produite par le procédé Sublime
Pour replacer ces chiffres dans leur contexte, le ciment coûte actuellement environ 130 dollars par tonne métrique, et une note d’information du Belfer Center de Harvard datant de 2022 évalue la capture du carbone dans la production de ciment à un prix compris entre 19 et 205 dollars par tonne de CO2. Ainsi, sans savoir de quelle extrémité de l’échelle Sublime parle, il semble que le premier produit de ciment propre de l’entreprise pourrait se vendre à un prix supérieur de 15 à 158 % au prix de vente de ses concurrents polluants.
En ce qui concerne l’échelle et les progrès, Sublime a commencé comme un modèle de laboratoire de recherche à l’échelle du gramme au MIT, mais depuis que l’entreprise a été filialisée, elle s’est considérablement agrandie.
« Notre installation peut maintenant produire de l’ordre de 100 tonnes de ciment par an », explique Jesse Benck. « Nous avons donc déjà parcouru un long chemin, et notre production est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à ce qu’elle était au départ. »
« Ce à quoi nous travaillons maintenant, poursuit-il, c’est à une usine de démonstration qui aura une capacité d’environ 25 000 tonnes par an. Nous souhaitons la mettre en service d’ici la fin de l’année 2025, afin de pouvoir commencer à produire en 2026. Ensuite, nous viserons notre première usine de fabrication de ciment à échelle commerciale, d’une capacité d’environ un million de tonnes par an. Les détails sont encore en cours d’élaboration, bien sûr, mais nous prévoyons un calendrier autour de 2027-28. Ensuite, nous espérons déployer notre technologie à l’échelle mondiale dans les années 2030. Nous pensons que nous sommes sur la bonne voie pour atteindre l’échelle mondiale nécessaire pour avoir un impact massif. »
La production de béton représente environ 8 % de l’ensemble des émissions mondiales de CO2. Il s’agit d’une industrie énorme, dans laquelle les alternatives décarbonées peuvent apporter une contribution massive à la course vers zéro carbone d’ici 2050.
« Nous ne pouvons pas nous passer de ciment », a déclaré la cofondatrice Leah Ellis lors d’une présentation à l’événement TEDx Boston l’année dernière. « C’est un matériau tellement important […]. Il existe des solutions, et les acteurs du secteur les connaissent. Au cours des 20 dernières années, l’empreinte carbone du béton aux États-Unis a diminué de 20 %, ce qui est très impressionnant, et au niveau mondial, les multinationales qui produisent du ciment ont toutes pris l’engagement de ne pas émettre de gaz à effet de serre d’ici à 2050… Mais ce n’est pas suffisant. »
« Il faut vraiment un effort concerté pour s’attaquer à ce problème », poursuit-elle. « Il faut une collaboration entre les propriétaires de bâtiments, les architectes, les ingénieurs structurels et les fournisseurs de matériaux pour lancer de nouveaux produits sur le marché et demander du ciment à faible teneur en carbone. Sans capital, sans politique et sans demande des consommateurs, ce problème continuera à passer inaperçu. »
