Boston Metal sera-t-il le chevalier blanc qui permettra de décarboner totalement l’industrie sidérurgique, responsable de plus de 5 % des émissions de CO2 dans le monde ? Cette entreprise créée en 2012 par des anciens du Massachussetts Institute of Technology (MIT) a mis au point un processus d’électrolyse à anode inerte pour réduire le minerai de fer. Ce laboratoire de 80 personnes, basé à Woburn dans le Massachussetts, a démontré la viabilité de sa technologie en produisant plusieurs tonnes d’acier décarboné. La prochaine étape est de démontrer le passage à l'échelle industrielle, avec pour objectif de vendre sa technologie aux géants de la sidérurgie d’ici à 2025.
Actuellement, il n’existe pas de production industrielle d’acier vert dans le monde et seuls quelques rares aciéristes européens (comme SSAB en Suède ou Salzgitter en Allemagne) ont mis au point des technologies de production d’acier décarboné par réduction directe à l’hydrogène. La technologie de Boston Metal promet de gagner en efficacité, en utilisant directement l’électricité pour produire de l’acier au lieu de produire de l’hydrogène comme agent réducteur.
Plus besoin des hauts-fourneaux
La technologie de Boston Metal repose sur l’électrolyse d’oxyde fondu (en anglais MOE, pour Molten Oxide Electrolysis). Le processus permet de séparer les atomes de fer et d’oxygène, initialement combinés dans le minerai. Opération jusque-là réalisée dans des hauts-fourneaux à l'aide de charbon métallurgique. Dans le démonstrateur de Boston Metal, la cuve dans laquelle est versé le minerai de fer est chauffée à 1 600°C. L’ensemble forme une cellule d’électrolyse, comme dans la production d'aluminium. Avec cette technique, le minerai est directement transformé en acier très pur, avec comme seuls sous-produits de l’oxygène et du laitier (un résidu utilisé comme matière première pour décarboner à son tour l’industrie du ciment).
Cette technologie pourrait substituer les cellules d'électrolyse aux quatre gigantesques infrastructures qui constituent un complexe de production d’acier intégrée. L’électrolyse remplace les hauts-fourneaux pour réaliser la réduction du fer. La cokerie est également éliminée, puisque l’électricité remplace entièrement le coke, point noir des émissions de l’industrie sidérurgique. Enfin, le convertisseur utilisé en aval disparaît également. Ce bâtiment sert à extraire le carbone de la fonte pour produire de l’acier. Or, l’électrolyse n’utilisant pas de coke, le métal est déjà dépourvu de carbone. Et cerise sur le gâteau en amont de la chaîne, plus besoin de l’usine d’agglomération qui raffine le minerai, car la technologie de Boston Metal peut incorporer du minerai non-raffiné.
4 mégawattheures d’électricité par tonne d’acier
Si la technologie de Boston Metal venait à se répliquer sur de grands complexes sidérurgiques, elle supprimerait entièrement le CO2 de l’équation. Ou presque… La seule condition sera d’alimenter le site en électricité verte. La technologie de Boston Metal nécessite 4 MWh d’électricité pour produire une tonne d’acier. Selon le rapport du cabinet américain Global Efficiency Intelligence, l’intensité énergétique requise aujourd’hui pour produire une tonne d’acier en hauts fourneaux atteint plus de 21 gigajoules aux Etats-Unis, en Russie et en France, ce qui correspond à 6 MWh. « Une usine produisant un million de tonnes d’acier avec notre procédé aura besoin d’une puissance de base de 500 MW » précise Adam Rauwerdink, directeur commercial de Boston Metal. C'est la moitié de la capacité d'un réacteur nucléaire.
Intensité d’énergie finale de la production d’acier à partir des hauts fourneaux et fourneaux à oxygène basique par pays en 2016. Source : Rapport de Global Efficiency Intelligence ; How clean is the U.S. Industry ? novembre 2019.
Boston Metal prévoit plusieurs business modèles
A présent que la technologie est développée, Boston Metal augmente progressivement la taille de ses démonstrateurs. A l’intérieur des 2300 m² de locaux à Boston, deux installations ont été concrétisées : un laboratoire produisant quelques grammes d’acier grâce de quatre petites cellules d’électrolyse et un démonstrateur semi-industriel pouvant produire plusieurs dizaines de kilos d’acier par jour. D’ici à l’été, un troisième démonstrateur doit voir le jour permettant de monter à plusieurs centaines de kilos d’acier par jour. Pour cela, l'entreprise a levé 85 millions de dollars auprès de différents investisseurs, et perçu des subventions du gouvernement américain.
Avant de commencer la commercialisation de son procédé en 2025, Boston Metal doit prouver qu’il peut augmenter significativement le nombre de cellules d’électrolyse sur un site. « La production totale d’acier est la somme des productions réalisées par chaque cellule d’électrolyse, explique Guillaume Lambotte, directeur de recherche et développement à Boston Metal. Ce procédé est similaire à celui de la production d’aluminium, qui utilise également des cellules d’électrolyse. Pour passer à l’étape commerciale, il nous faudra intégrer ces cellules les unes à côté des autres. » Le secteur de l'aluminium, qui travaille sur le recours à une anode inerte depuis environ un siècle, s'approche de la concrétisation de ce rêve avec Elysis.
BORN IMAGERY (BORN IMAGERY (Photographer) - [None] (BORN IMAGERY (BORN IMAGERY (Photographer) - [None] (Photographer) - [None] Une cellule d'électrolyse semi-industrielle de Boston Metal. Crédit photo : Born Imagery, Boston Metal
Boston Metal prévoit plusieurs business model pour sa technologie. L’objectif principal est de commercialiser la licence aux sidérurgistes et aciéristes à l'échelle mondiale. Le deuxième projet est d’installer des cellules MOE auprès des mines de fer pour y produire localement des lingots d’acier. Enfin, l’américain envisage de mettre à disposition sa plateforme technologique pour produire des ferroalliages à haute valeur ajoutée, comme du ferroniobium. Boston Metal n’a pas encore dévoilé les partenaires avec lesquels il discute, mais on note toutefois le partenariat noué avec BMW en mars 2021 pour fournir le constructeur allemand en acier vert.
L’avantage clé de l’électrolyte et de l’anode inerte de Boston Metal
Le projet de localiser des unités de production à proximité des mines n’est pas un hasard. L’électrolyte (le bain dans lequel se réalise l’électrolyse) a été développé par Boston Metal dans le but de pouvoir réceptionner un large spectre de minerai de fer en termes de teneur en fer et d’impuretés. « Le minerai de fer traditionnel utilisé contient environ 60-62 % de fer, explique Adam Rauwerdink. Nous pouvons utiliser une plus grande variété de minerais de fer, avec une plus faible teneur en fer mais aussi un taux d’impuretés plus élevé. Cela donne un net avantage par rapport à la nouvelle technologie de réduction du fer à partir d’hydrogène qui émerge actuellement, mais qui ne peut utiliser qu’un faible pourcentage de minerai de fer disponible sur la planète au regard de ces deux paramètres. »
Boston Metal Minerai disponible utilisable par technologie de réduction, en fonction de la teneur en fer (iron content) et des impuretés (contaminants). Source : Boston Metal.
Mais le cœur de la recherche de la technologie de Boston Metal réside dans la mise au point d'une anode inerte. Dans une électrolyse traditionnelle, l’anode en matériau carboné se dégrade en quelques semaines, libérant du carbone qui, associé à l'oxygène libéré du minerai, contribue grandement à son empreinte CO2 (plus de 2t par tonne d'aluminium produit). L’anode inerte à base de chrome de Boston Metal permet de réaliser une électrolyse sans libérer de carbone, ni se désintégrer. Dans l'aluminium, Elysis avait dévoilé travailler sur une anode à coeur métallique (contenant du fer et du nickel) recouvert d'un matériau à base céramique contenant également des métaux, parmi lesquels du nickel et du cuivre (Cermet).
Si elle venait à se concrétiser à l’échelle industrielle, la technologie d’électrolyse du fer avec anode inerte pourrait littéralement révolutionner l’industrie sidérurgique. Mais en réalité, les géants de la sidérurgie ont choisi d'investir massivement dans d'autres voies, comme le captage du CO2 et la réduction directe l’hydrogène, qui peuvent être adaptés sur leurs sites existants.
