L’hydrogène électrolytique essentiel pour décarboner la sidérurgie.

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La fabrication du fer et de l’acier est un processus à forte intensité d’énergie et de carbone. On estime qu’il représentera 7 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone (CO 2 ) en 2020, ce qui en fait l’une des industries les plus gourmandes en énergie au monde. La réduction du minerai de fer dans les hauts fourneaux à l’aide d’une forme concentrée de charbon (coke) est la principale source d’émissions de CO 2 . 

Dans certaines industries, la voie vers la décarbonation est (assez) simple. Dans les transports, par exemple, le moteur à combustion interne gourmand en combustibles fossiles est lentement remplacé par des véhicules partiellement ou entièrement électrifiés. La décarbonisation de la fabrication de l’acier n’est peut-être pas aussi claire. L’acier est un produit critique qui joue un rôle central dans la transition vers une énergie sans carbone. Il est largement utilisé dans la construction de fermes solaires à grande échelle; production d’énergie nucléaire, hydroélectrique et éolienne; et les infrastructures de transport et de distribution d’électricité. Cependant, en matière de décarbonation, chaque industrie doit jouer son rôle.

Un rapport, publié par l’Energy Information Administration (EIA) des États-Unis en février 2022, explore les voies de décarbonisation de l’industrie sidérurgique et leurs implications sur la consommation d’énergie et les émissions de CO 2 , dans quatre régions spécifiques.  IEO2021 Issues in Focus: Energy Implications of Potential Iron-and Steel-Sector Decarbonization Pathways souligne l’importance cruciale de l’hydrogène électrolytique dans la décarbonation du secteur sidérurgique.

La fabrication de l’acier brut est un processus en deux étapes avec deux voies possibles. Les deux tiers de l’acier brut sont produits par une méthode traditionnelle dans laquelle les hauts fourneaux (BF) utilisent du charbon pour produire de la « fonte brute » – ou de la fonte brute sous forme de blocs oblongs. Le fer est ensuite converti en acier brut vierge à l’aide de fours à oxygène basique (BOF) dans une aciérie. 

Le tiers restant de la production d’acier utilise une méthode moins énergivore utilisant des fours à arc électrique (EAF). Les EAF utilisent principalement de la ferraille et produisent des produits en acier recyclé. Cependant, ils peuvent utiliser du fer réduit directement (DRI) pour produire de l’acier vierge. Le rapport de l’EIA appelle à un recyclage accru pour continuer à réduire l’intensité carbone de la fabrication de l’acier, mais il souligne les inquiétudes concernant la disponibilité de la ferraille dans certaines régions et les problèmes de pureté après un recyclage répété.  

Le rapport examine la consommation d’énergie et les implications en matière de CO 2 d’une réduction de la fabrication d’acier BF‐BOF et d’une plus grande adoption des fours à arc électrique. Une augmentation du pourcentage DRI de la fabrication d’EAF est nécessaire pour compenser la baisse de la production d’acier vierge BF-BOF. Cependant, un passage au DRI-EAF n’est pas nécessairement associé à une réduction des émissions de carbone. Le procédé DRI-EAF utilise généralement du gaz naturel ou du charbon pour chauffer le minerai de fer et le gaz de synthèse (gaz de synthèse) – un mélange d’hydrogène (H 2 ) et de monoxyde de carbone (CO), pour réduire le minerai de fer en fer.

Pour produire de l’acier à faible teneur en carbone et de haute qualité, l’EIA décrit deux éléments clés : l’utilisation de H2 électrolytique comme agent réducteur dans le processus de réduction directe du fer et l’alimentation des fours à arc électrique avec de l’énergie renouvelable dérivée de l’énergie solaire, éolienne, de la biomasse. , des déchets ou de l’électricité géothermique. L’hydrogène a été démontré comme le seul réducteur dans le processus DRI à petite échelle, dit l’EIA. 

L’hydrogène en soi n’est pas nécessairement la solution aux problèmes environnementaux de l’industrie sidérurgique. En 2018, 99 % de la production d’hydrogène a été générée à partir de combustibles fossiles, avec un maigre 1 % par des procédés électrolytiques. « Dans les années à venir, l’ H2 électrolytique alimenté par des énergies renouvelables sera essentiel pour décarboner l’industrie sidérurgique », déclare l’EIA.  

Malgré un changement potentiel vers le processus EAF plus respectueux de l’environnement, le taux de réduction des émissions ne sera pas uniforme. Le rapport indique que l’ampleur de l’augmentation de l’EAF et le profil de production d’électricité des régions individuelles influenceront les réductions de carbone et qu’il y aura des défis économiques jusqu’à ce que la production électrolytique de H 2 renouvelable atteigne la parité des coûts avec le H 2 à base de gaz naturel .

Quatre régions sidérurgiques clés sont examinées dans le rapport de l’EIA : la Chine, le Japon, la Corée du Sud et l’Europe de l’OCDE. La taille et la composition des industries sidérurgiques respectives et les plans de décarbonisation existants ont été cités comme la justification de l’orientation régionale. La Chine, par exemple, représente actuellement la moitié de la production mondiale d’acier. 

Deux scénarios ont été modélisés : un cas d’adoption précoce (EAC) et un cas d’adoption différée (DAC). La production brute de l’industrie sidérurgique reste la même dans les deux itérations. La part de la sidérurgie utilisant de l’acier produit par BOF chute d’environ 30 % d’ici 2050 dans toutes les régions, à l’exception de la Chine, et il est supposé que le DRI représentera 40 % de l’apport métallique aux fours électriques, pour compenser la baisse de la production BF‐BOF d’acier vierge , dans les deux scénarios.

La principale différence entre les deux scénarios est le moment de la parité des coûts entre le H 2 électrolytique et le H à base de combustibles fossiles . L’EAC suppose la parité des coûts en 2030, tandis que le DAC est retardé de 10 ans supplémentaires. Le retard a un impact sur l’équilibre entre le gaz naturel et l’énergie renouvelable utilisée pour fabriquer de l’hydrogène. Dans les deux cas, la consommation de gaz naturel augmente (par rapport à un cas de référence) en raison de la nécessité d’un DRI supplémentaire pour compenser la baisse de la production d’acier vierge BF‐BOF. Le scénario EAC tend vers une consommation de gaz naturel légèrement inférieure et une consommation d’énergie renouvelable légèrement supérieure.

En 2050, le DRI produit par H 2 électrolytique et alimenté par des énergies renouvelables atteint 48 % dans le scénario EAC et la part des fours électriques alimentés par des énergies renouvelables est la même. Le DAC n’atteint que 31% dans le même laps de temps.   

Une baisse de l’utilisation du charbon et une augmentation de l’énergie électrique sont prévues dans toutes les régions dans les deux scénarios, ainsi qu’une baisse des émissions de carbone de l’industrie sidérurgique. Le rapport indique que « d’une manière générale », il y aura peu de différence dans les émissions de CO 2 entre l’EAC et le DAC dans les régions individuelles – principalement parce que la différence entre les cas d’adoption précoce et retardée est relativement faible par rapport aux émissions globales de l’industrie – qui, selon l’EIA, sont dominées par le charbon pour la production de BF. Une augmentation plus faible de 12 % de la production de FEA en Chine dicte une diminution relative plus faible des émissions de CO 2 par rapport aux autres régions. 

L’augmentation de la production EAF en Corée du Sud (34 %) est supérieure à celle de l’Europe de l’OCDE (23 %), mais les baisses des émissions de la sidérurgie sont nettement plus élevées en Europe (28 % pour le DAC et 31 % pour l’EAC) par rapport à la Corée du Sud (19 % et 22 % pour DAC et EAC, respectivement). Les auteurs attribuent l’influence du profil de production d’électricité des régions individuelles, l’Europe bénéficiant d’une part de production d’énergie renouvelable beaucoup plus élevée dans le secteur de l’électricité. 

La Chine continue de s’appuyer fortement sur les technologies au charbon. 90% de la production se fait via des BF-BOF, dont beaucoup sont relativement nouveaux, avec une durée de vie utile de plus de 40 ans. Pour atteindre les réductions d’intensité énergétique dans le rapport de l’EIE, bon nombre de ces installations devraient être mises hors service avant leur fin de vie habituelle. Le Japon (76 %) et la Corée du Sud (68 %) dépendent également fortement de la production d’acier brut BF-BOF. Cependant, le Japon s’est engagé à modifier son mix énergétique pour s’appuyer sur l’hydrogène renouvelable et le combustible fossile H 2 avec captage et stockage du carbone (CSC). 

L’OCDE Europe (51 %) est bien placée pour passer à la sidérurgie à faible teneur en carbone, le rapport de l’EIA soulignant la disponibilité des gazoducs existants pour transporter le H 2 , les volumes élevés de ferraille disponibles et les politiques strictes en matière de CO 2 . La disponibilité du gaz naturel en Europe pourrait cependant changer avec la récente guerre russo-ukrainienne. La Russie représentait environ 45 % des importations de gaz naturel de l’UE et 40 % de sa consommation totale de gaz naturel. L’UE a annoncé une stratégie visant à réduire de deux tiers sa dépendance au gaz naturel russe d’ici la fin de 2022.

Une production d’électricité renouvelable supplémentaire de 385 milliards de kilowattheures (BkWh) est nécessaire pour que la Chine réalise le scénario EAC en 2050, soit une augmentation de 8,7 % par rapport au niveau de référence, ou une production moindre de 314 BkWh pour le DAC. La recherche prévoit que de l’énergie renouvelable supplémentaire serait obtenue grâce à la combinaison de la croissance du stockage solaire et des batteries.

Le Japon a besoin d’une augmentation de 10 % de la production d’électricité, par rapport au cas de référence, 424 BkWh dans la CAE, ce qui, selon les experts, serait satisfait par la croissance des déchets solides et du vent, complétée par la production au charbon et au gaz naturel pour assurer la fiabilité du réseau. La Corée du Sud a besoin d’une production d’énergie renouvelable supplémentaire de 58 BkWh en 2050 dans la CAE, soit une augmentation considérable de 27 % par rapport à la référence. Après 2030, une pénurie de ressources solaires de haute qualité signifie que les ressources éoliennes commencent à devenir plus économiquement favorables pour la Corée du Sud. 

L’Europe de l’OCDE aura besoin d’une production d’électricité renouvelable supplémentaire de 135 BkWh d’ici le milieu du siècle, soit une augmentation de 4,5 %. Pour le DAC, la demande supplémentaire atteint 98 BkWh. Les auteurs s’attendent à ce que la croissance de la production éolienne soit la principale source d’électricité renouvelable dans la région.

Le rapport EIA met en évidence plusieurs défis et incertitudes clés concernant la décarbonisation de l’industrie sidérurgique, notamment les défis économiques associés au remplacement du capital actuel de BF-BOF, la décarbonisation des processus en amont – tels que l’extraction du minerai de fer – et les processus en aval, et la vérité selon laquelle il existe de multiples technologies émergentes pour créer de l’hydrogène à partir de ressources renouvelables, telles que la gazéification de la biomasse. Les auteurs ont également noté la concurrence entre le reformage du méthane fossile et les méthodes de production électrolytique de H 2 .

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