Le ciment est l’une des matières les plus consommées au monde, juste derrière l’eau. Cependant, l’énorme appétit du monde pour le ciment a aussi un coût environnemental : sa production génère chaque année plus d’un milliard de tonnes métriques d’émissions de dioxyde de carbone, soit près de 8 % des émissions mondiales totales. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université Stanford mettent au point une méthode de chauffage par plasma alimentée par électricité pour produire du ciment sans brûler de combustibles fossiles.
Le ciment a été inventé en 1824 par un maçon à la recherche d’un matériau de construction à prise rapide. Au cours des deux siècles qui ont suivi, la recette de fabrication du ciment a peu changé. Elle consiste à chauffer du calcaire, de l’argile et d’autres ingrédients à des températures pouvant atteindre 2552 degrés Fahrenheit (1400 degrés Celsius). La chaleur fusionne les matières premières en nodules de la taille de cailloux appelés clinkers, qui sont ensuite broyés pour donner un ciment fin et poudreux.
Une part importante des émissions de dioxyde de carbone liées à la production de ciment provient de la combustion de combustibles fossiles destinée à chauffer l’air à l’intérieur du grand four où les matières premières sont transformées en ciment. « Il y a aussi beaucoup d’étapes intermédiaires qui entraînent beaucoup de chaleur perdue », explique Zheng. Pour atténuer les émissions, Zheng, avec Yi Cui, professeur de science des matériaux ; Paolo Monteiro, professeur de génie civil ; et leurs collègues, a mis au point un moyen d’utiliser l’électricité plutôt que des combustibles fossiles pour chauffer directement les matières premières et éliminer ces étapes intermédiaires.
Cette nouvelle méthode électrisante remplace les fours alimentés aux combustibles fossiles par le chauffage par plasma, un procédé qui consiste à faire passer un courant électrique à travers un gaz ionisé. Cela génère des températures supérieures à 4352 F (2400 C), ce qui accélère la formation des clinkers de ciment. Zheng et ses collègues ont constaté que le chauffage par plasma fusionnait les matières premières en clinkers en quelques secondes — soit près de 100 fois plus vite que la production traditionnelle de ciment.
En outre, en réduisant le temps nécessaire au chauffage des matières premières, la nouvelle méthode a diminué la chaleur perdue. Contrairement à la production traditionnelle de ciment, qui fonctionne avec un rendement thermique de 30–40 %, près de 80 % de la chaleur générée pendant le chauffage par plasma a été canalisée vers la production de ciment.
Les chercheurs ont constaté que ce nouveau ciment « bas carbone », comme ils l’appellent, présentait des propriétés mécaniques, telles que la durabilité et l’ouvrabilité, comparables à celles du ciment traditionnel. Ils ont également observé le ciment bas carbone au microscope électronique et ils ont remarqué que la nouvelle méthode introduisait des défauts à l’échelle nanométrique qui se dissolvaient rapidement dans l’eau et favorisaient la prise du ciment, améliorant ainsi sa résistance par rapport au ciment traditionnel.
La méthode de chauffage par plasma fonctionne également en utilisant comme matière première des déchets de ciment provenant d’installations de recyclage. Cela favorise la circularité et réduit encore les émissions de dioxyde de carbone dans la production de ciment. De plus, alimenté par des énergies renouvelables, l’ensemble du procédé de chauffage par plasma pourrait être sans émission.
À l’avenir, les chercheurs prévoient de collaborer avec les acteurs de l’industrie du ciment afin de tester leur méthode et de la passer à l’échelle pour une production de masse.
Une autre priorité, souligne Zheng, est d’étudier l’efficacité de la méthode plasma à traiter différents types de déchets de ciment comme matière première. Les déchets de ciment peuvent varier considérablement selon le lieu et le moment de la collecte. Il faut vérifier « si la nouvelle technologie est suffisamment robuste pour traiter toutes sortes de déchets, ou si nous devons trier un peu avant d’introduire la matière dans la machinerie », ajoute-t-il.
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Titre
Fabriquer des ciments zéro carbone en quelques secondes
Résumé
La décarbonation rapide de la production de ciment Portland est essentielle pour réduire l’empreinte carbone de l’environnement bâti. Or, des réductions d’émissions significatives exigeront une réinvention fondamentale de la fabrication du ciment. Nous présentons ici une approche plasma qui produit un ciment durable en quelques secondes, réduisant le temps de traitement de deux ordres de grandeur. La méthode génère des températures localisées supérieures à 2400 °C, maximisant la formation de phase liquide et accélérant considérablement la cinétique de clinkérisation. Au-delà de la conversion de la farine crue classique en clinker, nous montrons que les déchets de béton peuvent être utilisés comme matière première, ce qui permet de reclinkériser la pâte de ciment hydratée pour qu’elle réponde aux spécifications du clinker Portland, tout en atteignant une résistance à la compression comparable à celle des ciments commerciaux. Ces travaux établissent une nouvelle voie pour une production de ciment zéro carbone, élargissent le potentiel de recyclage des déchets de ciment et font progresser une industrie du ciment plus circulaire.
Qi Zheng, chercheur postdoctoral à l’Université Stanford travaillant avec Yi Cui et Paolo Monteiro, présentera leurs résultats lors de la réunion d’automne de l’American Chemical Society (ACS), dans le cadre du symposium « Energy Innovation and Carbon Management: Materials, Chemistry, and Novel Process: CO2 Conversion and Storage » à McCormick Place.
