Résoudre le problème massif de carbone du ciment

De nouvelles techniques et de nouveaux ingrédients peuvent réduire considérablement les immenses émissions de carbone provenant de la production de ciment et de béton

Le béton est partout : dans les bâtiments, les routes, les trottoirs, les ponts et les fondations de presque toutes les structures imaginables. Nous fabriquons plus de béton que n'importe quel autre matériau sur Terre, et ce volume augmente en raison du développement mondial, en particulier en Chine et en Inde. Le ciment, le liant pulvérulent qui maintient ensemble le sable ou la pierre concassée dans le béton, est l'un des produits les plus énergivores de la planète. Le calcaire utilisé est cuit jusqu'à 1 450 degrés Celsius (2 640 degrés Fahrenheit) dans d'énormes fours alimentés presque exclusivement par des combustibles fossiles. Les réactions chimiques impliquées produisent encore plus de dioxyde de carbone comme sous-produit. La fabrication d'un kilogramme de ciment envoie un kilogramme de CO2 dans l'atmosphère. Chaque année dans le monde, la production de ciment et de béton génère jusqu'à 9 % de toutes les émissions humaines de CO2.

Les sociétés fabriquent le ciment et le béton à peu près de la même manière depuis un siècle. Des essais ont montré qu'une partie du ciment d'un mélange peut être remplacée par de l'argile calcinée (brûlée) ou des ingrédients fabriqués à partir de déchets tels que des cendres volantes et des scories sans perte de résistance mais avec moins d'émissions. L'offre n'est pas suffisante pour répondre à la demande, mais de telles alternatives peuvent réduire le CO2 dans une certaine mesure.

D'autres matériaux et processus alternatifs peuvent réduire considérablement les émissions. Certains se répandent déjà; d'autres sont expérimentaux. Étant donné que la plupart du ciment et du béton sont fabriqués localement ou régionalement, à proximité de l'endroit où ils sont utilisés, la disponibilité de matériaux de substitution, les normes de construction révisées pour permettre leur utilisation, les coûts d'investissement pour le réoutillage et l'acceptation du marché sont autant de défis pratiques.

La fabrication du ciment consomme de grandes quantités d'énergie, provenant en grande partie de combustibles fossiles qui émettent du CO2. Certaines étapes sont également directement émettrices de CO2, notamment la création de chaux (étape 3) puis de clinker, un durcisseur (étape 4). Le remplacement des combustibles fossiles par des sources d'énergie renouvelables et l'augmentation de l'efficacité de la production pourraient réduire l'empreinte carbone jusqu'à 40 %. L'utilisation de différentes matières premières pour le clinker pourrait réduire considérablement les 60 % d'émissions de carbone restantes. (Le procédé illustré concerne les fours dits secs ; ils ont largement remplacé les fours humides, qui consomment encore plus d'énergie.)

1. Miner et broyer le calcaire

Comment ça fonctionne: Les gisements contenant du carbonate de calcium, comme le calcaire ou la craie, sont extraits de carrières, qui peuvent contenir de petites quantités d'argile contenant du silicium, de l'aluminium ou du fer. Les ingrédients sont broyés en morceaux de moins de 10 centimètres, puis broyés en une poudre appelée farine crue.

Chambre à améliorer :Commencez avec du basalte au lieu du calcaire ou utilisez du "calcaire à carbone négatif" produit avec des déchets de CO2 (étape 2), réduisant les émissions jusqu'à 60 à 70 %.

2. Préchauffer le repas cru...

Comment ça fonctionne:La farine crue dans une chambre au-dessus d'un four est chauffée à des températures pouvant atteindre 700 degrés Celsius par les gaz d'échappement chauds et tourbillonnants du four, chassant l'humidité.

Chambre à améliorer : Brûlez de l'air riche en oxygène pour réduire les émissions de CO2. Ajoutez des équipements pour capturer le CO2, ce qui pourrait réduire les émissions jusqu'à 60 %. Utilisez les déchets de CO2 pour fabriquer du calcaire à carbone négatif (étape 1). Brûlez de la biomasse ou des déchets pour chauffer le four au lieu de combustible fossile.

3. ... et convertir le repas en citron vert

Comment ça fonctionne: La farine préchauffée est brûlée dans une chambre de combustion immédiatement au-dessus et à l'intérieur du haut du four à 750 à 900 degrés C, convertissant le carbonate de calcium en oxyde de calcium (chaux vive) et en CO2. Cette étape représente 60 à 70 % du CO2 extrait des matières premières et consomme environ 65 % de tout le combustible utilisé dans l'ensemble du processus de production de ciment.

Chambre à améliorer : Brûlez de l'air riche en oxygène pour réduire les émissions de CO2. Ajouter des équipements pour capter le CO2. Utilisez un four électrique fonctionnant à l'énergie renouvelable, réduisant les émissions pour les étapes 2, 3 et 4 de 30 à 40 %.

4. Convertir la chaux en clinker

Comment ça fonctionne: La chaux est brûlée jusqu'à 1 450 degrés Celsius dans un four tournant trois à cinq fois par minute. Ce processus fritte (fusionne) la chaux dans le clinker de ciment Portland - des nodules gris foncé de trois à 25 millimètres de diamètre - et chasse plus de CO2. Le clinker est le liant qui fait durcir le ciment lorsqu'il réagit avec l'eau.

Chambre à améliorer :Ajoutez un minéralisant tel que le fluorure de calcium ou le sulfate pour abaisser la température de frittage de la chaux, économisant ainsi de l'énergie.

5. Refroidir et stocker le clinker

Comment ça fonctionne:Le clinker chaud passe sur des grilles où des ventilateurs le refroidissent à environ 100 degrés Celsius. Une fois refroidi, il est stocké dans un silo et peut durer longtemps sans se dégrader, il peut donc être vendu comme sa propre marchandise.

Chambre à améliorer :Électrifiez le processus ou le tuyau dans la chaleur résiduelle de l'étape 3 pour le refroidissement initial.

6. Mélanger le clinker avec du gypse

Comment ça fonctionne:Le clinker est mélangé avec du gypse dans un rapport de 20 ou 25 pour un.

Chambre à améliorer :Électrifiez le processus.

7. Broyer le mélange en ciment Portland

Comment ça fonctionne:Les broyeurs à rouleaux ou à boulets broient le clinker et le gypse en une fine poudre grise connue sous le nom de ciment Portland.

Chambre à améliorer : Ajoutez du calcaire finement broyé pour remplacer jusqu'à 35 % du ciment, réduisant ainsi les émissions créées lors des étapes de production précédentes. Ce mélange est connu sous le nom de ciment Portland-calcaire. Créez des « ciments mélangés » en ajoutant des cendres volantes (20 à 40 %), des scories (30 à 60 %) ou de l'argile calcinée (20 à 30 %) pour réduire le rapport clinker/ciment, réduisant ainsi les émissions de pourcentages similaires.

8. Ciment de maison dans des silos

Comment ça fonctionne: La poudre est soigneusement mélangée afin d'être uniforme et est ensuite stockée dans un silo. Il sera emballé dans des sacs pour la vente au détail ou chargé dans des camions à destination des installations de mélange de béton.

Chambre à améliorer : Envisager des alternatives à faible teneur en carbone au ciment Portland pour certaines applications. Ces alternatives comprennent les ciments activés par des alcalis et les biociments générés par des algues ou des microbes, ainsi que des ciments à base de phosphate de magnésium, d'aluminate de calcium ou de sulfoaluminate de calcium. De telles options peuvent réduire les émissions de l'ensemble du processus de 40 % ou plus.

Le béton est généralement fabriqué sur ou à proximité d'un chantier de construction. L'optimisation des conceptions structurelles peut réduire la quantité de béton nécessaire (étape 3). La réutilisation et le traitement du béton après la démolition (étape 4) peuvent absorber le CO2 de l'atmosphère, compensant certaines émissions de la production de ciment d'origine.

1. Mélanger le ciment, l'eau et l'agrégat

Comment ça fonctionne: Le ciment est mélangé avec des quantités spécifiques d'eau et d'agrégats tels que du sable, du gravier ou de la pierre concassée à température ambiante jusqu'à ce qu'une consistance fluidique souhaitée soit atteinte. Environ 80 % du mélange est composé de granulats.

Chambre à améliorer : Changez les convoyeurs et les mélangeurs pour qu'ils fonctionnent à l'électricité renouvelable, ce qui réduit considérablement les émissions. Inclure un additif tel que du biochar ou des algues pour augmenter la résistance du béton ou adapter sa maniabilité ou son temps de prise, réduisant ainsi les émissions de 1 à 5 % ou plus.

2. Transport vers le chantier

Comment ça fonctionne:Le béton est malaxé à l'intérieur d'un camion malaxeur à tambour qui le transporte sur un chantier de construction.

Chambre à améliorer : Passer aux camions électriques. Minimiser, collecter et recycler les déchets de béton en d'autres matériaux préfabriqués tels que les barrières d'autoroute.

3. Construire une structure

Comment ça fonctionne:La conception du bâtiment dicte la forme, le volume et la résistance des éléments en béton nécessaires.

Chambre à améliorer : Optimisez les conceptions structurelles afin que le béton ne soit pas gaspillé. Changer les spécifications exigeant des quantités minimales de ciment dans le béton pour exiger une résistance à la compression donnée, ce qui peut réduire la teneur en ciment nécessaire. Modifier les codes du bâtiment pour permettre l'utilisation de ciments nouveaux, alternatifs et mélangés. Comptez sur la capacité du béton à gagner en résistance au fil du temps en spécifiant des résistances à la compression à deux ou trois mois au lieu du mois habituel, ce qui peut réduire la quantité de matériau nécessaire.

4. Planifier la fin de vie

Comment ça fonctionne:Le béton démoli est souvent déversé dans des décharges ou broyé et utilisé comme matériau de base pour les routes et les autoroutes.

Chambre à améliorer : Conception pour la déconstruction afin que les éléments de béton puissent être réutilisés en tout ou en partie. Si le béton est démoli, meulez-le et étalez-le finement pour maximiser sa surface et l'exposer à l'air le plus longtemps possible pour absorber le CO2. Avec des années d'exposition, le béton peut absorber jusqu'à 17 % du CO2 émis lors de la fabrication du ciment pour ce béton.

Note de l'éditeur (30/03/23): Cet article a été modifié après sa publication pour corriger la description de la façon dont la chaux est convertie en clinker.

Cet article a été initialement publié sous le titre "Concrete Cure" dans Scientific American 328, 2, 52-55 (février 2023)

doi:10.1038/scientificamerican0223-52

Navires de pierre. RG Skerett; 17 novembre 1917.

Marc Fischetti est rédacteur en chef chez Scientific American. Il couvre tous les aspects de la durabilité. Suivez-le sur Twitter @markfischetti Crédit : Nick Higgins

Nick Bockelmanest illustratrice et graphiste.

Wil V. Srubarest professeur agrégé d'ingénierie architecturale et de science des matériaux à l'Université du Colorado à Boulder.

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