Comment le secteur de la construction est sous pression pour décarboner son ciment plus rapidement

Rendu numérique du Lower Thames Crossing, Royaume-Uni. De nouvelles routes et un tunnel à double section sous la Tamise relieront l'autoroute M25, près de Brentwood, à l'A2, à l'est de Gravesend (Photo : National Highways).

C'est le message d'Andrew Kidd, directeur de la durabilité environnementale du programme de traversée de la Basse-Thames de National Highways, d'un montant de 9 milliards de livres sterling (10,6 milliards d'euros), au Royaume-Uni.

Le ciment utilise le clinker, issu des fours à ciment, qui se forme après chauffage d'un mélange de matières premières (dont du calcaire et de l'argile) à une température intense de 1 450 °C (2 650 °F). Combinées aux réactions chimiques impliquées, les émissions de carbone résultant de ce procédé représentent 90 % de l'empreinte carbone totale du ciment.

Les scories des hauts fourneaux utilisées dans la production d'acier sont depuis longtemps utilisées comme complément à faible teneur en carbone du ciment dans les mélanges de béton. Mais à mesure que l'industrie sidérurgique s'oriente vers la décarbonation, un problème se pose.

Alors que la production d'acier repose aujourd'hui à 70 % sur des hauts fourneaux et à 30 % sur des fours à arc électrique (FAE), la production d'acier s'appuie de plus en plus sur ces derniers, car ils constituent une méthode de production plus écologique. Cela signifie moins de scories pour un ciment à faible teneur en carbone.

À l’avenir, la production d’acier dépendra de plus en plus, voire exclusivement, des fours électriques à arc.

En conséquence, l’industrie du ciment est obligée de repenser radicalement ses processus, ses approches et ses systèmes, et de trouver des « ingrédients » de remplacement plus écologiques pour conduire un avenir à faible émission de carbone.

La construction doit innover beaucoup plus rapidement

Andrew Kidd, directeur de la durabilité environnementale du programme de traversée de la Basse-Thames de National Highways (image fournie)

Kidd, qui dirige la décarbonisation du Lower Thames Crossing, qui soulage la pression sur le Dartford Crossing sur la Tamise près de Londres, cherche de nouvelles façons de décarboner le ciment utilisé dans la construction du projet.

« Nous avons fait du Lower Thames Crossing un exemple pour le secteur de la construction bas carbone. Notre mission est de construire un projet qui génère le moins d'émissions possible, mais, pour tous les projets actuels, il est impératif de démontrer que l'intensité carbone de l'infrastructure est conforme aux budgets carbone », explique-t-il.

Notre plus grand défi réside dans le fait que le secteur de la construction émet actuellement plus de carbone qu'en 1990, alors que nous nous sommes engagés à l'échelle nationale à réduire nos émissions de 68 % d'ici 2030. Nous serons à mi-chemin de la construction du projet en 2030 et souhaitons contribuer à la réalisation de nos engagements nationaux en matière de réduction des émissions de carbone. Le défi ne fera que s'amplifier. Le gouvernement a récemment annoncé un nouvel objectif de réduction des émissions de 81 % d'ici 2035 ; nous avons donc une formidable opportunité de faire quelque chose de radicalement différent avec le projet Lower Thames Crossing.

Kidd note que le secteur de la construction, généralement conservateur et habitué à évoluer lentement, doit changer son approche.

« Il doit désormais innover à un rythme bien plus rapide qu'au cours des deux derniers siècles. On observe un véritable changement dans l'approche des grands acteurs et dans leur volonté d'innover et de commercialiser de nouveaux produits. »

Les start-ups à faible émission de carbone proposent de nouvelles solutions

Reclinker (anciennement Cambridge Electric Cement), une start-up issue de l'Université de Cambridge, a mis au point une nouvelle approche du ciment à faible émission de carbone.

Gros plan macro de fragments et particules de clinker de ciment concassés avant d'être broyés en une fine poudre destinée à la fabrication du béton et des matériaux de construction. (Image : AdobeStock - stock.adobe.com)

Récemment nommée sur la liste Cleantech Group 50toWatch de cette année, Reclinker a réussi à fabriquer le composant réactif du ciment Portland ordinaire tout en évitant les principales sources d'émissions.

La méthode consiste à prendre le vieux béton des bâtiments et des structures qui ont été démolis, à le broyer pour séparer la vieille pâte de ciment (et, à ce stade, non réactive) et l'agrégat propre.

Bien que l'agrégat puisse être utilisé ailleurs, l'ancienne pâte de ciment est passée dans un four électrique à arc parallèlement au processus de fabrication de l'acier habituel et, grâce au procédé exclusif de Reclinker, il en résulte un nouveau ciment, que la société appelle Cambridge Electric Cement (CEC) .

La revue scientifique Nature a récemment examiné et publié l'analyse complète de la spectroscopie et des matériaux de Reclinker, et a confirmé qu'il répond aux spécifications du ciment Portland ordinaire, c'est-à-dire plus de 67 % de composés Alite et Belite ensemble dans le rapport optimal, et capable de fournir à la fois une résistance « au premier jour » et « ultime ».

Kidd explique : « Ce que Reclinker produit n'est pas un matériau supplémentaire comme le laitier de haut fourneau ; il s'agit d'un substitut direct au ciment lui-même. Et même si une telle innovation implique inévitablement une prime écologique, elle n'oblige pas le secteur de la construction à modifier ses méthodes de travail habituelles. »

Nouveaux matériaux cimentaires supplémentaires (SCM)

Pete Winslow est directeur d'Expedition Engineering chez The Useful Simple Trust, un groupe de cabinets de design professionnels qui impulsent le changement. Il s'attache à promouvoir les meilleures pratiques et l'innovation en matière de décarbonation du béton et de l'acier afin de créer un meilleur environnement bâti.

Pete Winslow, directeur de l'ingénierie des expéditions, The Useful Simple Trust (Image : Andrew Mason)

Winslow, qui préside également le groupe de recherche de l'Institution of Structural Engineers et le groupe de décarbonation du béton de l'Infrastructure Client Group, déclare : « Globalement, la décarbonation de l'industrie du ciment est lente. La tâche est difficile car il s'agit d'un matériau complexe à exploiter et de nombreux actifs dans le monde disposent de permis, de permis de construire et de processus pour sa fabrication. Nous avons besoin de béton et de ciment au quotidien, sans quoi nous ne pourrions pas construire de centrales nucléaires, les fondations d'éoliennes, les réservoirs nécessaires à notre sécurité hydrique, nos systèmes de protection contre les inondations, ni même de transports publics à faibles émissions de carbone. »

Le secteur évoluera avec le temps, mais nous aurons besoin de tous les grands acteurs mondiaux du ciment et du béton pour nous accompagner dans cette transition. Nombre d'entre eux s'y sont déjà mis, mais leur action n'est pas assez rapide. C'est pourquoi les startups, ces acteurs disruptifs capables d'innover et de proposer des solutions innovantes, sont essentielles.

Aux côtés de Reclinker, il voit de la valeur dans des start-ups comme Seratech et NeoCem, qui comblent le vide laissé par la diminution des quantités de laitier de haut fourneau et offrent une solution alternative intermédiaire. Ces entreprises se concentrent sur la production de matériaux cimentaires supplémentaires (MCS), qui réduisent l'empreinte carbone du béton en remplaçant une partie du ciment utilisé dans un mélange. Outre le laitier de haut fourneau, les MCS conventionnels comprennent de l'argile calcinée, du calcaire finement broyé et des cendres volantes (résidus de la combustion du charbon). À condition de ne remplacer qu'un pourcentage du ciment, l'empreinte carbone du mélange global peut être réduite sans affecter significativement les performances du béton.

Winslow ajoute : « Rares sont les technologies qui peuvent prétendre éliminer complètement le carbone. C'est pourquoi il est essentiel de développer des entreprises comme Reclinker et des SCM alternatifs comme l'argile calcinée, qui sont abondants et relativement bon marché. De nombreux hauts fourneaux ne fonctionneront pas aussi longtemps, ce qui signifie que nous devons utiliser des alternatives au laitier de haut fourneau. Certaines argiles calcinées traitées thermiquement peuvent remplacer 50 % du ciment, ce qui permet d'obtenir un béton de qualité. »

Bien que d'énormes quantités d'acier soient retraitées dans les fours à arc, la capacité de production de ciment est loin de répondre aux besoins mondiaux. Le ciment recyclé aurait un rendement deux fois supérieur s'il était mélangé à parts égales avec de l'argile calcinée plutôt que de l'utiliser comme un produit similaire.

Des ciments entièrement nouveaux

Pendant ce temps, des entreprises américaines comme Sublime Systems, une spin-off du Massachusetts Institute of Technology (MIT), et Brimstone, basée en Californie, se concentrent sur la fourniture de ciments plus écologiques et totalement nouveaux.

Brimstone démarre son processus unique avec une « nouvelle » roche, c'est-à-dire des roches de silicate de calcium sans carbone au lieu du calcaire conventionnel riche en carbone, qui libère du CO2 lors du traitement.

L'approche de Sublime utilise l'électrochimie plutôt que la chaleur et la combustion pour produire un ciment à faible teneur en carbone. Actuellement en phase d'essai, l'entreprise a obtenu un certain succès en produisant de l'hydroxyde de calcium qui, combiné à la silice, peut remplacer le ciment. Bien que ces matériaux puissent présenter des résistances ultimes similaires à celles du ciment Portland, les temps de durcissement et la résistance initiale peuvent différer de ceux auxquels le secteur de la construction est habitué.

Un camion-citerne à béton à l'usine de béton CEMEX Hollywood à Los Angeles, Californie, États-Unis (Image : GDMatthews via AdobeStock - stock.adobe.com)

Néanmoins, Sublime a, à ce jour, levé plus de 200 millions de dollars auprès d'investisseurs de premier plan dans le domaine des technologies climatiques, de producteurs de ciment de premier plan et d'accords de coopération avec le ministère américain de l'Énergie, et cherche à construire une usine unique en son genre cette année.

Kidd déclare : « Étant basées aux États-Unis, Brimstone et Sublime bénéficient notamment d'un accès à des investissements publics plus importants et plus ambitieux. J'aimerais voir davantage d'investissements publics et privés pour soutenir les entreprises britanniques de ce secteur. Le secteur de la construction n'investit pas suffisamment en lui-même. Nos grandes entreprises de construction fonctionnent généralement avec des marges serrées, et il peut être difficile de réinvestir. De plus, si l'on examine les statistiques à long terme du secteur de la construction, l'investissement en R&D est assez faible par rapport à d'autres secteurs. L'opportunité est aujourd'hui de renverser la situation, d'investir dans l'avenir et de créer une industrie compétitive à l'échelle mondiale dans un monde à zéro émission nette. »

Le captage et le stockage du carbone (CSC) restent quant à eux un sujet d'actualité pour le gouvernement britannique. Ce procédé vise à capter le CO2 émis lors de la fabrication du ciment et à le séquestrer immédiatement.

Kidd déclare : « L'idée selon laquelle on peut utiliser du ciment existant, y ajouter un système de capture du carbone et jouer un rôle important dans l'atteinte du zéro carbone ne sera tout simplement pas applicable à tous ni partout. Le Royaume-Uni a la chance de disposer d'anciens gisements de gaz pour stocker/utiliser le carbone, mais ce n'est pas le cas de toutes les cimenteries du monde. Or, il existe déjà de nombreux fours à arc électrique dans le monde, ce qui rend l'option du ciment électrique intrinsèquement très évolutive, avec l'avantage supplémentaire que le secteur de la construction n'aura pas besoin d'adapter ses procédés. »