Sous le grand soleil de la matinée du 21 mars, la tour de six étages qui forme le démonstrateur de captage de carbone 3D rutile sur le site sidérurgique d’ArcelorMittal, à Dunkerque. Ses tuyaux argent, jaune canari et vert sombre tranchent avec les infrastructures historiques du site, dont les gammes marron et ocre rappellent les deux matières premières – le minerai de fer et le charbon – indispensables à la production d’acier. Une industrie très polluante, que le démonstrateur doit aider à décarboner.
Installé dans le cadre d’un projet européen lancé en 2019 et piloté par un consortium d’industriels – dont ArcelorMittal, TotalEnergies, l’IFP Energies Nouvelles (Ifpen) et Axens côté français – il vise à capter 0,5 tonne de CO2 par heure, soit plus de 4 000 tonnes en un an. Un projet à 19 millions d'euros, aux trois-quarts financés par la Commission européenne. Son but : prouver les performances du nouveau solvant DMX, dont les capacités « démixantes » (d’où son nom) doivent diminuer la consommation d’énergie du procédé.
Nettoyer les fumées de leur CO2
A l’arrière-plan du démonstrateur, de larges panaches blancs, relâchés à intervalles réguliers par un four de cokerie, rythment la visite. Au cours de l’inauguration, la chargée du projet pour l’Ifpen, Vania Santes-Moreau, présente l’infrastructure micro à la main. Et détaille la feuille de route : des opérations et des tests sur 12 à 18 mois, avant qu’Axens – la filiale de l’Ifpen pour la vente de ses technologies – ne commercialise la solution en 2025. Si tout se passe bien, ArcelorMittal prévoit alors une colonne à échelle industrielle.
Vania Santes-Moreau rassure les visiteurs. Si le pilote – fabriqué de manière modulaire par la société lensoise ETCI – arbore deux colonnes de 22 mètres pour 40 centimètres de diamètre, la mise à l'échelle industrielle ne sera pas proportionnelle. « Capter un million de tonnes nécessitera des diamètres de 7 à 10 mètres, pour 20 à 30 mètres de hauteur », détaille la scientifique. Des dimensions plus en phase avec celles du site sidérurgique, qui a la capacité de produire 7 millions de tonnes d’acier plat par an pour une empreinte carbone moyenne de 1,8 tonne de CO2 par tonne d’acier.
Eric Flogny Branché au pipeline de gaz sidérurgique (au deuxième plan), le démonstrateur 3D pressurise les effluents des hauts-fourneaux pour en retirer le CO2. Crédit : Eric Flogny
Deux frêles piquages jaunes raccordent la tour au pipeline de 2,5 mètres de diamètre qui transporte le gaz sidérurgique au sein du complexe d’ArcelorMittal. Issu de l’utilisation du charbon dans les hauts-fourneaux de l’usine, ce gazest composé à près d’un quart de CO2. Qu’il s’agit donc de capturer pour l'empêcher de réchauffer l’atmosphère. A terme tout du moins… Pour l’instant, le CO2 capté est renvoyé sous forme quasi-pure dans le pipeline et gagnera l’air libre. « Au vu des faibles quantités, trouver des solutions de stockage ou de valorisation coûterait trop de carbone par rapport au gain potentiel », souffle un participant. Mais l’essentiel n’est pas là : le projet est avant tout scientifique, comme le rappelle le petit laboratoire d’analyses des échantillons liquides, édifié en algeco au pied de la tour.
Chauffage sélectif
L’objectif ? Tester différents paramètres d’opération et valider les performances du solvant DMX. Mis au point par l’Ifpen et produit par le chimiste Uetikon-Sequens, en Allemagne, il en faudra 10 mètres cubes pour permettre à 3D de fonctionner. Un produit « né sur paillasse il y a une quinzaine d’années », monté en maturité petit à petit, se souvientFlorence Delprat-Jannaud, responsable du programme captage et stockage du CO2 à l'Ifpen. Comme les autres produits aminés déjà commercialisés (Fluor, Shell, Mitsubishi Heavy Industrie ou encore Aker font partie des industriels les plus avancés dans le domaine), il permet « de laver les fumées, grâce à un solvant qui va en capter le CO2, avant d’être régénéré pour isoler le CO2 ».
Mais le solvant, dit de seconde génération, « aura des besoins énergétiques bien moindres que ceux des solutions disponibles sur le marché, avec à la fin un coût de captage réduit de 20 à 30% », estime la scientifique. Alors que les solutions matures nécessitent en général plus de 3 giga joules (GJ) – l’équivalent de trois barils de pétrole – DMX mobilise entre 2,3 et 2,9 GJ d’énergie pour la même tâche, pour un coût qui devrait avoisiner 30-40 euros la tonne.
Eric Flogny Au-delà des nombreux tuyaux nécessaires pour faire fonctionner l'infrastructure, 3D comporte aussi diverses valves et plateformes d'accès pour pouvoir effectuer des prélèvements. Crédit : Eric Flogny
L’ensemble du processus nécessite une « vraie petite usine chimique », décrit Vania Santes-Moreau, qui le compare au « circuit sanguin du corps humain, qui se charge et se décharge continuellement en oxygène ». Au sein de 3D, le gaz sidérurgique préalablement pressurisé monte dans les deux colonnes à garnissage, emplies de métal structuré en forme de minuscules alvéoles poreuses. A l’inverse, le solvant ruisselle depuis le haut des colonnes et se charge de CO2 en descendant. Une réaction fruit de la compatibilité chimique entre ses composés aminés et ce gaz.
Une large citerne cylindrique d’acier inoxydable au bas de la tour permet ensuite de visualiser l’originalité de DMX. C’est là que le solvant chargé de CO2 vient décanter et, « grâce à ses propriétés physico-chimiques, se séparer en deux phases, l’une riche en CO2 avec peu d’eau à l’aspect huileux et l’autre comportant davantage d’eau et peu de CO2 », détaille Christian Streicher, responsable des ventes traitement des gaz chez Axens. En ne chauffant que la portion chargée en CO2 pour la régénérer, 3D limite les consommations d’énergie comme le coût du nettoyage.
Passer à l'échelle
Dépense énergétique réelle, dégradation du solvant, performances en conditions réelles… Le démonstrateur doit valider un certain nombre de conditions pour permettre la commercialisation du procédé. Se pose aussi la question de sa généralisation : à l’image de 3D, qui utilise de la vapeur d’eau produite par les procédés de production d’acier, les solvants aminés nécessitent d’importantes quantités de chaleur fatale pour être viables, et ne sont pas adaptés à tous les sites industriels. « Avec une concentration en CO2 de l’ordre de 20% et peu d’impureté, les fumées sidérurgiques sont relativement faciles à traiter », note Florence Delprat-Jannaud. L’oxygène présent dans les cimenteries, par exemple, pourrait compliquer la tâche de certains solvants. Sans compter qu'il faudra ensuite transporter et stocker le CO2 capté, avec des coûts supplémentaires.
Projet 3D Au-delà du captage, de nombreuses briques sont nécessaires pour mettre le CO2 hors d'état de nuire. Crédits : projet 3D
Paradoxalement, le plan d’ArcelorMittal pour réduire ses émissions de 35% d’ici à 2030, avant d’atteindre la neutralité carbone en 2050, pourrait aussi compliquer l’utilisation du captage de carbone. Début février, le groupe sidérurgique a annoncé investir 1,7 milliard d’euros pour se passer de charbon dans une partie de sa production hexagonale et doper l’utilisation d’acier recyclé. De quoi réduire la concentration en CO2 des gaz sidérurgiques, au risque de compliquerla tâche des installations de captage. « Nous cherchons à supprimer le CO2 à chaque fois que cela est possible, mais nous aurons toujours besoin de captage de carbone car nos fumées ne seront pas à 100% sans CO2 », rassure le directeur du programme décarbonation d’ArcelorMittal, Emmanuel Deneuville. Reste à voir si les enseignements apportés par 3D seront encore valables pour les fumées de demain.
