Si l’utilisation de l’hydrogène pour décarboner la production d’acier est considérée comme une solution à long terme [lire entretien page 26], les sidérurgistes sont déjà à pied d’œuvre. Le 11 novembre 2019, ThyssenKrupp a inauguré l’injection d’hydrogène dans un haut-fourneau de son site de Duisbourg, en Allemagne. Deux mois plus tôt, ArcelorMittal annonçait un partenariat avec l’américain Midrex Technologies afin de tester à l’échelle d’un démonstrateur, à Hambourg, en Allemagne, la production d’acier par réduction directe du minerai de fer à l’hydrogène. En Suède, le sidérurgiste SSAB s’était déjà tourné vers cette technologie en 2016 dans le cadre du projet Hybrit. Une usine pilote devrait voir le jour cette année en vue d’une mise sur le marché d’un acier « zéro fossile » à partir de 2026.
Dans la solution choisie par ThyssenKrupp, l’hydrogène remplace une partie du charbon utilisé en tant qu’agent réducteur dans le haut-fourneau pour diminuer le minerai de fer et produire de l’acier. « C’est le procédé le plus rapide à mettre en place dans un premier temps, indique Philippe Blostein, le directeur marketing métaux chez Air liquide, qui fournit l’hydrogène au sidérurgiste allemand. Mais dans le haut-fourneau, nous n’arriverons jamais à remplacer entièrement le charbon par de l’hydrogène. » La réduction théorique maximale des émissions de CO2 dans ce cas-là est de l’ordre de 20 %.
De leur côté, ArcelorMittal et SSAB privilégient la réduction directe du minerai de fer à l’hydrogène. ThyssenKrupp l’envisage pour le milieu de la décennie 2020. « Le gros avantage de cette approche est qu’elle permet de faire de l’acier en réduisant considérablement les émissions de CO2 », affirme Philippe Blostein. Certains parlent d’une réduction de 80 % par rapport à un haut-fourneau traditionnel, d’autres imaginent aller jusqu’à 90 %, voire 100 %. « Le bilan peut même être négatif en carbone grâce à l’utilisation de biomasse ou de CO2 recyclé issu d’autres industries pour produire le gaz réducteur », avance Vincent Chevrier, le responsable du développement des nouveaux marchés et ancien directeur de la R & D chez Midrex Technologies.
Se passer de gaz naturel
Cette entreprise américaine est spécialiste de la réduction directe du minerai de fer, un procédé minoritaire mais déjà employé pour fabriquer l’acier : sur les près de 2 milliards de tonnes d’acier produites dans le monde en 2019, environ 100 millions de tonnes l’ont été grâce à ce procédé. Le principe consiste à préréduire du minerai de fer, contenant des oxydes de fer, dans un réacteur grâce à un gaz de réduction obtenu à partir de gaz naturel ou de charbon. Cela donne un minerai préréduit solide, ensuite fondu dans un four à arcs électriques – alors qu’un haut-fourneau produit de la fonte liquide.
Sur le site d’ArcelorMittal à Hambourg, Midrex Technologies compte adapter son procédé historique de réduction directe au gaz naturel en passant au tout-hydrogène. Depuis des décennies, l’américain déploie son procédé chez des sidérurgistes. Dans les 90 unités de production installées à travers le monde, le gaz de réduction – composé de monoxyde de carbone et d’hydrogène – est produit dans un réformeur à partir de gaz naturel et d’un mélange de gaz issus du réacteur et composé de dioxyde de carbone et d’eau. L’hydrogène est donc déjà présent dans le procédé : « Le gaz de réduction en contient 55 %, précise Vincent Chevrier. Nous avons prouvé, dans nos laboratoires, que nous pouvions passer à 100 %. L’usine de Hambourg permettra de le démontrer à une plus grande échelle. »
Balance thermique du réacteur perturbée
Se passer de gaz naturel et n’injecter que de l’hydrogène a cependant une conséquence importante : le monoxyde de carbone disparaît du gaz réducteur. « Cela perturbe la balance thermique du réacteur », explique Vincent Chevrier. En effet, la réduction du minerai de fer absorbe de la chaleur – elle est endothermique – lorsqu’elle est réalisée avec l’hydrogène alors qu’elle dégage de la chaleur – elle est exothermique – avec le monoxyde de carbone. Dans un procédé classique, le rapport entre l’hydrogène et le monoxyde de carbone est choisi de manière à ce que les réactions puissent se faire autour de 900 °C. « Si on retire le monoxyde de carbone, il faudra ajouter de l’énergie d’une façon ou d’une autre en chauffant l’hydrogène, poursuit Vincent Chevrier. Mais ce n’est pas un gros challenge. Les principales incertitudes portent sur la nature du produit en sortie et son utilisation. »
Le minerai de fer préréduit avec 100 % d’hydrogène ne contient en effet pas de carbone. « Une différence fondamentale », pointe Vincent Chevrier, avec la fonte issue des hauts-fourneaux qui contient 4 % de carbone. Or le carbone fait baisser la température de fusion, à environ 1 250 °C pour la fonte, contre plus de 1 500 °C pour le fer pur. En outre, en réagissant avec l’oxygène, le carbone dégage de la chaleur, utilisée au cours du raffinage. En l’absence de carbone, il faut donc apporter de l’énergie supplémentaire pour la fonte et le raffinage. C’est pour réduire cet apport que le procédé par réduction directe classique introduit entre 1,2 et 4,5 % de carbone dans le minerai préréduit grâce au monoxyde de carbone du gaz réducteur et à un apport de méthane.
Du fer qui s'oxyde plus vite
« Nous souhaitons également vérifier la réoxydation du minerai de fer préréduit pour nous assurer que nous pouvons la contrôler, notamment pendant son transport et son stockage », ajoute Vincent Chevrier. Car le fer presque pur issu d’un procédé par réduction directe avec 100 % d’hydrogène s’oxyde plus vite. Et son aspect n’arrange rien : il se présente sous la forme de boulettes spongieuses, ce qui augmente la surface de contact avec l’air et par conséquent son oxydation.
À Hambourg, le réacteur où se déroulera la réduction directe du minerai de fer sera construit de toutes pièces. En revanche, l’hydrogène viendra du réformeur de l’installation de Midrex Technologies, déjà sur place. Il sera donc « gris », car produit à partir de gaz naturel. Tout comme l’hydrogène fourni à ThyssenKrupp par Air liquide depuis novembre 2019. « Dans les étapes suivantes, il est envisagé d’utiliser de l’hydrogène produit avec des électrolyseurs et de l’énergie renouvelable », assure Vincent Chevrier, pour le site d’ArcelorMittal. De même chez ThyssenKrupp. Toute la question sera alors de savoir quand il sera possible de produire de l’hydrogène bas carbone à un prix raisonnable et en quantités suffisantes. Chez Air liquide, « on y travaille », répond Philippe Blostein. ?
L’électrolyse en ligne de mire
À Maizières-lès-Metz (Moselle), dans le cadre du projet Siderwin, ArcelorMittal travaille avec 11 partenaires sur la production de plaques de fer pur par électrolyse du minerai de fer. « Notre objectif est de remplacer les hauts-fourneaux par ce procédé qui n’émet pas de dioxyde de carbone si l’électricité utilisée est décarbonée », précise Hervé Lavelaine, le coordinateur du projet. L’électrolyse ne serait qu’une étape. Les plaques produites seraient ensuite fondues dans des fours électriques, comme le sont aujourd’hui les ferrailles issues du recyclage. L’utilisation de déchets issus d’autres métallurgistes, comme les déchets d’oxyde de fer de la filière aluminium, est aussi envisagée. « C’est difficile parce qu’il peut y avoir des impuretés dont les impacts peuvent être importants, avertit Hervé Lavelaine. Mais notre partenaire grec a obtenu des résultats encourageants. » Après avoir prouvé les grands principes en laboratoire et obtenu des échantillons de 3 kg, Siderwin cherche à atteindre des échantillons de 100 kg. Lancé en 2017, le projet durera jusqu’en 2022. L’unité pilote, en cours de construction, devrait être opérationnelle en octobre. La production à l’échelle industrielle, elle, n’est pas attendue avant… 2040.
