Le basalte pourrait être la clé d’un ciment plus vert et moins cher

Les idées pour réduire les émissions de carbone tournent souvent autour des énergies renouvelables, des véhicules électriques et de l’efficacité énergétique. Mais il existe un autre acteur, moins médiatisé, qui est souvent négligé : le ciment.

« Le ciment est à peine présent dans l’esprit du public comme un moteur majeur du changement climatique, mais les émissions de CO2 provenant de la production de ciment sont similaires à celles de toutes les voitures particulières du monde », a déclaré Jeff Prancevic, géologue à l’UC Santa Barbara. Dans l’ensemble, l’industrie représente environ 4,4 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre.

Une étude dirigée par Prancevic et Cody Finke, de Brimstone Energy, Inc., propose une voie pour réduire l’empreinte carbone du ciment Portland, le type le plus utilisé. Produire du ciment à partir de roches silicatées riches en calcium, comme le basalte, au lieu du calcaire, pourrait réduire à la fois les besoins énergétiques et les émissions de dioxyde de carbone associés à la production. Les chercheurs ont découvert que le ciment Portland issu de silicates pourrait nécessiter moins de 60 % de l’énergie utilisée pour traiter le calcaire, tout en réduisant les émissions de dioxyde de carbone associées de plus de 80 %, ce qui pourrait améliorer l’économie de la production de ciment.

Selon l’article, publié dans Communications Sustainability, la transition est possible avec les technologies existantes, et pourrait même fournir des matières premières pour la production d’acier et d’aluminium, améliorant potentiellement l’efficacité matérielle et énergétique de la production industrielle en général.

Meilleur, moins cher, plus propre

Le ciment Portland est utilisé dans presque toutes les constructions modernes. Il lie ensemble le sable et les granulats utilisés pour fabriquer le béton. Le calcium du ciment provient actuellement du calcaire car le processus de raffinage est simple, bien qu’il soit très énergivore. « Mais le calcaire est composé à moitié de CO2 », a expliqué Prancevic, « qui est libéré dans l’atmosphère lors de la production de ciment. »

La méthode actuelle nécessite de chauffer le calcaire à plus de 1 500 °C pour produire l’ingrédient clé, la chaux vive (oxyde de calcium). Le carbone et l’oxygène libérés s’échappent sous forme de dioxyde de carbone — environ 500 kg par tonne métrique de ciment produit, sans compter les émissions supplémentaires liées à l’énergie utilisée dans le processus.

Prancevic, Finke et leurs collègues ont étudié si des roches silicatées riches en calcium, comme le basalte ou le gabbro, pourraient remplacer pratiquement le calcaire dans la production de ciment Portland. Ils ont d’abord évalué la disponibilité de ces types de roches à la surface pour l’extraction minière, en utilisant des cartes géologiques existantes, et ont constaté qu’il existe des quantités suffisantes pour alimenter la production de ciment pendant plusieurs centaines de milliers d’années aux niveaux de production actuels. « Tout ce basalte n’est pas facilement accessible », a précisé Prancevic, « mais les chiffres suggèrent que le calcium du basalte est pratiquement inépuisable. »

Les auteurs ont ensuite estimé les besoins énergétiques et les émissions de dioxyde de carbone de la fabrication de ciment à partir de roches silicatées. Ils ont constaté que le besoin énergétique théorique minimal est inférieur de plus de 60 % par rapport au traitement du calcaire. En utilisant le gaz naturel comme source d’énergie, les émissions minimales de dioxyde de carbone par tonne de ciment produit sont passées de 609 kg à environ 50 kg, selon le type de roche utilisé. Ces bases théoriques mettent en évidence l’immense opportunité qu’offre le calcium issu de silicates pour réduire à la fois l’intensité énergétique et les émissions associées à la production de ciment.

Enfin, les auteurs ont étudié comment les roches silicatées pourraient être utilisées pour produire du ciment Portland en utilisant des technologies empruntées à d’autres industries. Ils ont identifié un processus viable et ont constaté que même sans optimisation et en utilisant l’électricité moyenne du réseau, cela réduirait les émissions de dioxyde de carbone de plus de 25 % par rapport au processus standard actuel utilisant le calcaire.

Déplacer le concurrent établi

D’un côté, il est très logique de se procurer du calcium à partir d’une roche qui n’est pas pleine de carbone. « Je suis surpris qu’il ait fallu si longtemps pour envisager cette solution », a déclaré Prancevic. D’un autre côté, purifier le calcium à partir de minéraux silicatés est tout simplement un défi d’ingénierie beaucoup plus grand que de purifier le calcium à partir du calcaire, qui est riche en calcium. « Je suis donc assez surpris qu’il semble exister des processus viables et économes en énergie avec lesquels expérimenter. »

Les auteurs notent que les roches silicatées contiennent généralement une variété de métaux précieux qui pourraient être récupérés comme sous-produits lors de la production industrielle de ciment. En fait, le rapport calcium/fer dans le basalte est presque exactement le rapport que la société consomme pour la production de ciment et d’acier, de sorte que nous pourrions produire ces matériaux à partir de la même roche sans excès de l’un ou l’autre. Le basalte contient également environ 20 fois plus d’aluminium que nous n’en consommons actuellement, ce surplus pourrait donc ouvrir de nouvelles opportunités, ont indiqué les chercheurs. Produire plusieurs produits à partir de la même matière première minimise le gaspillage de matériaux et d’énergie, ce qui est une raison majeure pour laquelle cette approche est tellement plus efficace que la voie du calcaire.

Malgré ses avantages, se procurer du ciment à partir de silicates pourrait être difficile à vendre. Le ciment est bon marché (environ 150 $ la tonne), et le processus de fabrication du ciment Portland à partir du calcaire a été optimisé pendant plus d’un siècle. « L’industrie de la construction est construite autour du ciment Portland, de la conception à la mise en place en passant par l’entretien », a expliqué Prancevic. « Même des changements subtils dans les normes sont soigneusement examinés et sont lents à être adoptés. C’est exactement pourquoi nous nous sommes concentrés sur la technologie pour fabriquer le même ciment Portland auquel les constructeurs sont habitués. »

En effet, des ciments alternatifs à faible teneur en carbone existent depuis des décennies, mais sans une incitation à décarboner, les entreprises pourraient ne pas juger utile de prendre le risque financier de les développer. Le fait que l’approche de l’équipe produise du ciment Portland lui permet de s’intégrer dans les chaînes d’approvisionnement existantes, mais elle devra démontrer des économies significatives pour déloger les méthodes de production ancrées dans l’industrie.

Les co-auteurs de Prancevic chez Brimstone Energy travaillent à commercialiser cette solution, et il y a beaucoup de place pour l’expérimentation. Par exemple, davantage de recherches pourraient améliorer l’efficacité du processus et le raffinage de sous-produits de valeur. « Cet article est vraiment un appel pour que d’autres chercheurs expérimentent de nouvelles technologies afin d’accélérer la décarbonation du ciment », a conclu Prancevic, « car il existe un potentiel pour résoudre un problème climatique aussi important que celui des voitures simplement en se procurant du calcium à partir d’une roche différente. »

Journal : Communications Sustainability

Source : UC SantaBarbara