L’industrie sidérurgique est un grand émetteur mondial de carbone, représentant environ 7 % à 11 % des émissions totales de carbone dans le monde. Face à un changement climatique mondial de plus en plus sévère, les pays se fixent tour à tour des objectifs de pic carbone et de neutralité carbone. La Chine, qui représente la moitié de la production mondiale d’acier brut, subit une forte pression politique avec son objectif « double carbone ».

Les émissions de carbone de l’industrie sidérurgique proviennent principalement des processus chimiques et de l’énorme consommation d’énergie durant la production. Le procédé traditionnel dominant de production d’acier en filière longue repose sur le coke comme agent réducteur pour transformer le minerai de fer en fonte dans un haut fourneau, un processus qui génère une grande quantité de dioxyde de carbone. Ce procédé traditionnel présente non seulement une forte intensité carbone, mais aussi des difficultés structurelles telles qu’un long flux de processus, une consommation d’énergie élevée et une forte dépendance à un minerai de fer de haute qualité, rendant difficile une réduction radicale du carbone à court terme par des ajustements ponctuels. Les études de l’Agence internationale de l’énergie indiquent que pour atteindre les objectifs de température de l’Accord de Paris, les émissions de carbone de l’industrie sidérurgique doivent diminuer de plus de 90 % d’ici 2050, ce qui signifie qu’une révolution technologique disruptive est impérative.

Parmi les voies traditionnelles de réduction du carbone, la filière courte de réduction directe par l’hydrogène couplée à un four à arc électrique a un temps été considérée comme une solution radicale. Ce procédé remplace le coke par de l’hydrogène, le produit de réduction étant de la vapeur d’eau, éliminant ainsi les émissions de carbone du point de vue du principe chimique[2†L14-L17]. Cependant, la voie de la métallurgie par l’hydrogène fait face à des contraintes dans sa mise en œuvre pratique : un système d’approvisionnement en hydrogène vert économiquement fiable et stable n’est pas encore en place, les problèmes de transfert de la consommation d’énergie et des émissions de carbone lors de la production d’hydrogène, le coût élevé et les goulets d’étranglement technologiques du stockage et du transport de l’hydrogène, ainsi que les exigences strictes du four à cuve à hydrogène sur la qualité des matières premières, limitent tous sa généralisation industrielle à court terme[14†L4-L10].

Face à ce « dilemme de l’hydrogène », la communauté scientifique a commencé à réexaminer une autre voie technologique : la métallurgie électrochimique. Comparé à la production d’hydrogène et à la réduction qui constituent deux étapes distinctes, le procédé d’électrolyse présente un avantage naturel en termes d’efficacité énergétique. La technologie d’électrolyse d’oxydes fondus (MOE) développée par la société américaine Boston Metal et le projet de réduction électrochimique directe (DER) mené par la société australienne Fortescue ont tous deux validé la faisabilité de cette voie technologique[6†L42-L47], mais des goulets d’étranglement techniques tels que la corrosion rapide du matériau anodique et la faible efficacité électrolytique restent des « obstacles majeurs » sur la voie de l’industrialisation.

L’étude de l’équipe USTB-Baowu a précisément trouvé une percée dans cette impasse technologique. Grâce à une conception ingénieuse de la structure du laitier, la stabilité de l’anode dans l’environnement de sels fondus à haute température a été considérablement améliorée, élevant la durabilité et la viabilité économique de l’ensemble de la réaction d’électrolyse à un nouveau niveau.

Exploration approfondie de l’alchimie de la « structure du laitier »

Le cœur de cette technologie réside dans le fait que le « laitier » n’est pas seulement un sous-produit de la réaction, mais devient un « régulateur » contrôlant l’ensemble de la réaction électrochimique.

Conception innovante de la structure du laitier

Sans modifier les principes physico-chimiques fondamentaux de la sidérurgie, les chercheurs ont procédé à un ajustement structurel fin du système de laitier quaternaire de base CaO-SiO₂-Al₂O₃-FeOx, permettant au laitier de former une « couche interfaciale active » à haute conductivité ionique de l’oxygène à la surface de l’anode. En régulant l’effet de compensation de charge Fe³⁺/Fe²⁺ dans le laitier, le réseau ionique du laitier a été reconstruit, augmentant considérablement la vitesse de transport de l’ion O²⁻ à l’interface anodique. Les résultats de la simulation de dynamique moléculaire montrent que le coefficient de diffusion des ions oxygène dans le système de laitier optimisé a été multiplié par 3,14, augmentant significativement la force motrice de l’électrolyse.

Ce système de laitier maintient une excellente stabilité chimique dans des conditions extrêmes de température élevée jusqu’à 1600 °C et de forte corrosion, inhibant efficacement l’oxydation superficielle et l’écaillage par corrosion de l’anode inerte, et prolongeant la durée de vie de l’anode à plus de 500 heures, bien au-delà des niveaux rapportés précédemment dans des études internationales similaires.

Réaction sélective de dégagement d’oxygène et préparation de fonte de haute pureté

Dans une cellule d’électrolyse à ultra-haute température, cette technologie utilise directement le laitier d’oxyde de fer fondu comme électrolyte. Lorsqu’un courant continu est appliqué, les ions fer sont réduits en fer métallique à la cathode, tandis que les ions oxygène sont oxydés en oxygène gazeux à l’anode. L’équipe de recherche, en régulant la structure du laitier CaO-SiO₂-FeOx, cible sélectivement la réaction de dégagement d’oxygène anodique, évitant ainsi la production de gaz anodiques nocifs rencontrée dans les procédés traditionnels d’électrolyse en sels fondus. L’ensemble de la réaction ne consomme aucun agent réducteur carboné, et le seul sous-produit de la réaction est l’oxygène, réalisant une conversion « zéro carbone » du minerai à la fonte. Comparée à la technologie de réduction directe par l’hydrogène, cette technologie ne nécessite pas la conversion d’énergie en deux étapes « électricité verte → hydrogène vert → réduction du fer », ce qui permet d’augmenter l’efficacité énergétique de plus de 40 % et de réduire considérablement le coût énergétique global du point de vue thermodynamique. Ce procédé présente une très grande adaptabilité aux matières premières, pouvant traiter non seulement des concentrés de minerai de fer de haute qualité, mais aussi fondre directement des minerais de fer complexes à faible teneur, sans nécessiter d’étapes de prétraitement complexes telles que la pré-concentration ou l’agglomération[6†L30-L34].

La conception complète du système de cette technologie garantit que le produit final de fonte atteint une pureté ultra-élevée de plus de 99,9 %, ce qui permet d’éliminer complètement l’étape de décarburation profonde du convertisseur en aval dans le flux traditionnel, réalisant une refonte et un raccourcissement drastique de l’ensemble du flux de production sidérurgique dès la conception thermodynamique initiale.

Refonte du parcours industriel complet, du « bas carbone » au « zéro carbone »

La validation réussie de cette technologie de « réduction électrochimique en milieu fondu pour la fabrication du fer » démontre que la sidérurgie propre en filière courte et zéro émission possède désormais les bases théoriques et le prototype technologique de base pour une industrialisation à grande échelle. Cette technologie s’accorde naturellement avec la révolution mondiale de l’énergie verte. Avec la baisse continue des coûts de production d’électricité renouvelable comme le solaire et l’éolien, le point de basculement économique de la sidérurgie utilisant directement l’électricité verte pourrait arriver plus tôt que prévu.

Du point de vue de l’ensemble de la chaîne industrielle, cette technologie résout non seulement les problèmes de coûts élevés de la taxe carbone et de la protection de l’environnement pour les entreprises sidérurgiques, mais pourrait également donner naissance à un nouveau système de commerce international de « l’acier vert » et à des normes de certification de l’empreinte carbone.

L’Université des Sciences et Technologies de Pékin réalise une percée majeure vers la sidérurgie zéro carbone

Cette collaboration entre le Laboratoire clé national de métallurgie sidérurgique verte et bas carbone de l’Université des Sciences et Technologies de Pékin, l’Université de Yanshan et le groupe Baowu Steel, marque la position de leader mondial de la Chine dans le domaine pionnier de la sidérurgie zéro carbone par « électricité verte + électrométallurgie ». Cette recherche a non seulement résolu le problème de stabilité des matériaux d’anode inerte dans un environnement de sels fondus à ultra-haute température, mais a également proposé systématiquement un schéma scientifique complet pour améliorer l’efficacité de l’électrolyse et la pureté de la fonte grâce à la conception de la structure du laitier, susceptible de devenir le cœur technologique des futures usines métallurgiques vertes et intelligentes à l’échelle mondiale. Avec l’application à grande échelle de l’ensemble des technologies et des équipements clés, l’industrie sidérurgique pourra définitivement tourner la page de son histoire de « verrouillage carbone », apportant ainsi une « solution chinoise » à la fois significative et efficace à la lutte mondiale contre le changement climatique.