Les objectifs climatiques mondiaux reposent sur l’accélération des politiques et de l’innovation pour déployer des technologies de ciment à faible émission de carbone dans les régions clés.

Le ciment : crucial mais riche en carbone

Le ciment, pierre angulaire des infrastructures mondiales, est également un responsable majeur des émissions, responsable aujourd’hui de 6 % des gaz à effet de serre (GES) mondiaux. Alors que les régions développées ont peut-être stagné dans leur utilisation du ciment, les régions en développement devraient connaître une croissance massive en raison de la demande en infrastructures.

Les projections de Rhodium Climate Outlook suggèrent qu'en fonction de la croissance économique, les émissions mondiales de ciment en dehors des économies développées pourraient doubler d'ici 2100, dépassant celles de toutes les voitures en circulation aujourd'hui. Contrairement aux véhicules électriques qui ont été largement adoptés, il n’existe pas encore de solutions matures et compétitives pour la décarbonation du ciment. Plusieurs options prometteuses sont en cours de développement, notamment le captage du carbone, les fours à hydrogène et électriques, ainsi que des procédés électrochimiques alternatifs.

Un monde construit sur le ciment

Le ciment est le deuxième matériau le plus utilisé dans le monde, après l'eau. Sa production a connu une croissance exponentielle, portée par l’urbanisation rapide de la Chine. La part des économies développées dans la production mondiale a considérablement diminué, passant de 64 % en 1970 à seulement 12 % en 2020, alors que la production chinoise était en plein essor.

Le ciment est essentiel pour les infrastructures et les abris. La demande dans les économies en croissance est tirée par le développement économique. Historiquement, la demande de ciment par habitant augmente avec l’augmentation du PIB par habitant à mesure qu’une région s’urbanise. Ceci est suivi d’une stabilisation ou d’un lent déclin à mesure que les besoins en infrastructures sont satisfaits, comme on le voit dans les pays développés.

En dehors des économies développées, la demande par habitant n’a cessé d’augmenter au cours des 50 dernières années, notamment en Chine. Il reste cependant bien en deçà de la moyenne des économies développées.

À l’avenir, la demande par habitant devrait suivre la tendance historique consistant à augmenter puis à se stabiliser. Les prévisions du Rhodium Climate Outlook montrent une baisse de la demande par habitant en Chine d'ici 2100, convergeant avec la moyenne mondiale en raison du ralentissement de l'urbanisation et de la croissance. Dans le même temps, la demande dans les économies développées devrait diminuer de près de 50 %, tandis que le reste du monde converge vers la moyenne mondiale.

Même s'il est peu probable que la croissance exceptionnelle de la Chine se reproduise ailleurs, la demande en dehors de la Chine et des économies développées devrait passer de 30 % du total mondial aujourd'hui à 84 % d'ici 2100. À mesure que la consommation se déplace vers les économies émergentes, la demande mondiale moyenne reste relativement stable tout au long de la période. siècle.

L'Afrique, en particulier, devrait devenir le plus grand producteur de ciment d'ici la fin du siècle, tirée par la croissance démographique, même si la demande par habitant n'atteindra pas les niveaux observés en Chine ou dans les économies développées. Le Moyen-Orient et l’Asie devraient également connaître une urbanisation rapide qui stimulera la demande par habitant.

Contrairement à l’acier, dont une part importante fait l’objet d’échanges internationaux, seulement 2.6 % du ciment est commercialisé. Cela signifie que la production d'un pays est étroitement liée à la demande intérieure, tirée par la croissance économique et démographique locale. Les mesures commerciales ont donc une capacité limitée à favoriser la décarbonation dans le secteur.

Le défi des émissions

À mesure que la demande de ciment a augmenté, les émissions qui y sont associées ont également augmenté. La production de ciment représente désormais 6 % des émissions mondiales de GES. S’il s’agissait d’un pays, il serait le quatrième émetteur mondial.

Même sans interventions politiques majeures ou solutions de décarbonation abordables, les émissions mondiales de ciment devraient atteindre leur maximum cette décennie, puis diminuer quelque peu d’ici le milieu du siècle, à mesure que la croissance démographique et économique plafonnera en Chine. Toutefois, les émissions devraient rester obstinément élevées, voire même augmenter à nouveau dans la seconde moitié du siècle.

Rhodium Climate Outlook prévoit un large éventail de possibilités en matière de production et d’émissions de ciment. Nos estimations suggèrent que les émissions directes du ciment pourraient augmenter jusqu'à 17 % ou diminuer de 39 % d'ici 2050 par rapport aux niveaux actuels, une incertitude importante liée à la dynamique économique et démographique.

En l’absence d’investissements supplémentaires dans les politiques d’innovation et de décarbonation, les émissions devraient rester relativement stables après 2050. L’incertitude économique en dehors des économies développées et de la Chine est un facteur majeur de cette incertitude.

Les économies développées et la Chine, avec leurs infrastructures matures et leur demande de ciment stabilisée, devraient connaître une demande par habitant relativement stable à l’avenir. Cependant, le reste du monde, dont le potentiel de croissance est lié au développement économique, présente une incertitude importante en termes d’émissions futures.

Les émissions de ciment en Afrique, en particulier, sont très incertaines mais suivent une tendance à la hausse, avec le potentiel d'être multipliées par 8 d'ici la fin du siècle. Cela reflète la trajectoire de développement incertaine du continent. Le reste du monde devrait également connaître une croissance moyenne des émissions, avec un large éventail de possibilités englobant des scénarios avec des émissions stables ou en baisse.

La généralisation de nouvelles solutions technologiques au-delà des économies développées et de la Chine sera cruciale pour lutter contre les émissions mondiales de ciment dans les décennies à venir.

Tracer une nouvelle voie à suivre

Technologies existantes :

Le calcaire, l'argile ou d'autres matériaux contenant du calcium, du silicium, du fer et de l'aluminium sont extraits, broyés et introduits dans un four rotatif. Des combustibles fossiles sont utilisés pour chauffer le four à environ 1400 XNUMX °C, où se produit la calcination, libérant du dioxyde de carbone et convertissant le calcaire en chaux. La chaux réagit ensuite avec d’autres composés dans le four pour former du clinker, un ingrédient clé du ciment. Le clinker est ensuite refroidi, broyé et mélangé à des additifs pour former du ciment.

La quantité de clinker dans une tonne de ciment varie, mais le processus de calcination lors de la production de clinker est une source majeure d'émissions. Non seulement le four nécessite de grandes quantités de combustibles fossiles, mais la réaction de calcination elle-même libère environ 520 kg de CO2 par tonne de clinker. De plus, il existe des émissions indirectes provenant des combustibles fossiles et de l’électricité utilisées dans le processus de fabrication.

Les efforts actuels pour décarboner le ciment se concentrent sur les gains d’efficacité et les ajustements du processus existant :

• Procédé à sec : Environ 80 % du clinker est produit par voie sèche, plus économe en énergie que la voie humide qui utilise de l’eau.
• Combustibles issus de la biomasse ou de déchets : Certains fabricants remplacent les combustibles fossiles par de la biomasse ou des déchets, qui peuvent avoir une empreinte carbone moindre lorsqu'ils sont brûlés à haute température.

À l’avenir, nous pouvons nous attendre à des améliorations continues de l’efficacité énergétique et à une substitution accrue des combustibles lorsque cela est économiquement réalisable. De plus, l'utilisation de matériaux largement disponibles comme l'argile calcinée, les cendres volantes et les pouzzolanes naturelles comme substituts du clinker (jusqu'à 30 à 40 %) peut réduire les émissions sans compromettre l'intégrité structurelle et peut même être rentable.

Technologies nouvelles et émergentes :

Des innovations technologiques et des investissements importants sont nécessaires pour combler l’écart d’émissions restant. Voici un aperçu de quelques options prometteuses avec leurs avantages et leurs limites :

• Captage, stockage et utilisation du carbone (CCSU) :
  • CSC à base d'amine : L’option la plus mature, capter le CO2 des fumées après combustion. Un projet à l'échelle commerciale est attendu en Norvège en 2024. Il peut atteindre des taux de captage d'environ 90 %, mais il est gourmand en énergie et n'élimine pas toutes les émissions.
  • Oxycombustion + CSC : Permet d'obtenir des taux de capture plus élevés (90 à 99 %) en utilisant de l'oxygène pur pour la combustion, mais nécessite une plus grande adaptation du processus du four et entraîne des coûts plus élevés.
• Processus électriques :
  • Calcinateur/four électrifié : Remplace les combustibles fossiles par du chauffage électrique, ce qui génère un flux de CO2 pur pour le captage et le stockage. Avec une électricité nette zéro, cela pourrait être très efficace mais nécessite une décarbonation significative de l’énergie et du réseau.
• Procédés à base d'hydrogène :
  • Combustion oxyhydrogène : Les premières démonstrations réalisées par Heidelberg Cement sont prometteuses, mais nécessitent une énergie entièrement décarbonée et des électrolyseurs efficaces pour une réduction significative des émissions.
• Processus électrochimiques :
  • Nouveaux procédés comme ceux de Sublime Cement offrent une alternative complète, éliminant entièrement les émissions de processus et utilisant potentiellement des déchets. Cependant, ils n’en sont qu’à leurs débuts et dépendent largement de l’électricité propre.

Le paysage politique :

Même si la substitution du clinker et les gains d’efficacité peuvent être économiquement intéressants, la plupart des technologies émergentes en sont encore à leurs balbutiements. Le soutien politique ou l’investissement privé est crucial pour leur déploiement :

• Marchés publics et investissements privés : Peut fournir une assistance à un stade précoce et réduire les coûts technologiques.
• Incitations au captage du carbone : Des politiques telles que le crédit d’impôt 45Q aux États-Unis peuvent contribuer à compenser le coût supplémentaire du captage du carbone.
• Politiques d’énergie propre : La promotion et l’investissement dans les énergies renouvelables bon marché et dans l’énergie distribuable sans carbone sont essentiels pour que de nombreuses technologies permettent d’obtenir des réductions significatives des émissions, en particulier dans les économies en développement.

Article connexe: Étude Rhodium : les émissions de gaz à effet de serre aux États-Unis ont augmenté de 1.3 % en 2022

En raison du caractère peu commercial du ciment, il est peu probable que les politiques commerciales soient efficaces pour stimuler les efforts de décarbonation. Au lieu de cela, les politiques qui promeuvent et rendent facilement disponibles les technologies du ciment à faible émission de carbone, en particulier dans les économies en développement connaissant une urbanisation rapide, seront cruciales pour lutter contre les futures émissions de ciment.

En conclusion, l’industrie mondiale du ciment est confrontée à un défi important dans la décarbonation de ses processus de production. Bien que les technologies existantes offrent certaines améliorations, une innovation et un soutien politique substantiels sont nécessaires pour développer et déployer des solutions à faible émission de carbone à grande échelle et rentables, en particulier dans les régions où la demande de ciment est en plein essor. En accélérant la recherche, le développement et les investissements dans ces nouvelles technologies, l’industrie du ciment peut jouer un rôle essentiel dans la réalisation des objectifs climatiques mondiaux.