Le secteur de la métallurgie est un très important émetteur de CO2 sur la planète. Les contraintes environnementales et les décisions politiques, plus ou moins fortes selon les régions, le contraignent à s’adapter à marche forcée. SMS group est un acteur majeur dans le développement de technologie pour le secteur de la sidérurgie depuis 150 ans. Ce cap de la décarbonation concerne donc la société au plus haut point. C’est depuis le Luxembourg, chez Paul Wurth, que certaines des nouvelles solutions pour produire un acier sans carbone sont développées. L’entreprise s’est doté d’un « Green Steel Hub » chargé d’étudier toutes les pistes vers une production neutre en carbone à l’horizon 2050. Thiago Campos (42 ans), est originaire du Minas Gerais, état du Brésil situé entre Rio et Brasilia, où la sidérurgie fait partie de l’histoire. Il dirige depuis 2024 à Luxembourg ce pôle vert, qui pose les jalons vertueux du développement du groupe.
En résumé, l’avenir de la sidérurgie est confronté à des contraintes paradoxales qu’il importe pourtant de concilier.
- l’industrie est incontestablement polluante, dans sa configuration actuelle… mais la demande en acier va continuer de croître, notamment pour le développement des infrastructures dans les pays émergents
- si l’Accord de Paris lors de la COP 21 a tracé le cadre, les contraintes environnementales légales fluctuent d’une région à l’autre. Alors que l’Europe se veut en pointe, les soucis écologiques semblent s’évanouir sur d’autres continents. Des distorsions d’équipement et de concurrence suscitent nombre d’incertitudes… peu désirables dans un secteur où les amortissements s’envisagent sur des décennies.
- l’énergie verte et l’hydrogène vert sont nécessaires en très grandes quantités pour décarboner le secteur. Le développement et le déploiement de l’infrastructure nécessaire doivent être accélérés afin d’obtenir des prix de marché compétitifs. La disponibilité de minerais de qualité ou de ferraille adaptés aux nouvelles technologies est un autre goulet d’étranglement.
L’obligation de décarbonation de la sidérurgie tiendrait presque de la quadrature du cercle si elle n’était un formidable incitant pour la recherche et le développement de nouvelles technologies. SMS group évolue en plein cœur de cette mutation capitale. Trois voies ont été tracées pour la production propre d’acier, et le groupe y travaille très activement:
- réduction directe liée aux fours électriques pour une production directe d’acier (projet Stegra, en cours en Suède)
- réduction directe liée aux submerged arc furnaces (SAF) pour une production de fonte (projet Thyssenkrupp, en cours en Allemagne)
- adaptation des hauts-fourneaux traditionnels avec l’implémentation de technologies innovantes destinées à réduire les émissions de CO2. (Projet en cours de développement avec Tata Steel, en Inde)
À l’affût de toutes les innovations
L’équipe Green Steel (10 personnes, dont 4 à Luxembourg) joue un rôle majeur dans les efforts de décarbonation du groupe. Composée d’ingénieurs, elle est à l’affût de toutes les innovations technologiques pouvant profiter au secteur. Titulaire d’un diplôme en génie métallurgique de l’université de Minas Gerais, Thiago Campos a fait une bonne partie de sa carrière chez ArcelorMittal. « Pendant 10 ans, j’ai développé des projets pour la production de fonte, comme ingénieur de recherche, avant de me consacrer plutôt au laminage. En venant chez Paul Wurth, je réalisais mon souhait de revenir vers les procédés de production de fonte. «
« SMS group, dont Paul Wurth est une partie très importante, développe et met sur le marché des solutions de pointe pour la production des métaux (acier ou non-ferreux) », rappelle Thiago Campos. Hauts-fourneaux, aciéries, laminoirs… tout ce qui permet de transformer un minerai en produit utilisable dans le quotidien intéresse ses équipes. Nous continuons bien sûr à miser sur les références qui ont fait la réputation de la marque, comme le Paul Wurth Bell Less Top, système de chargement des hauts-fourneaux. Cette technologie a révolutionné la production de fonte dans les années 70, en permettant de mieux répartir les matières premières à l’intérieur des hauts-fourneaux. C’est un produit qui a permis à Paul Wurth d’atteindre le statut de référence mondiale en technologie pour la sidérurgie. Raison de plus pour garder ce nom comme une marque forte dans le portefeuille du groupe SMS. »
Miser aussi sur la numérisation et l’intelligence artificielle
Le contexte de la décarbonation donne l’opportunité de développer beaucoup de nouvelles technologies. La numérisation des procédés et l’incorporation progressive de l’intelligence artificielle, dans le fonctionnement des services comme dans les produits commercialisés, constituent une autre activité importante suivie par ses ingénieurs. SMS group développe notamment des outils de maintenance prédictive qui permettent de programmer des interventions anticipant d’éventuels problèmes techniques et anticiper des pannes majeures qui peuvent avoir un impact sur le process de production et, dans certains cas extrêmes, mettre en péril la sécurité des personnes.
« Au fil de l’intégration de Paul Wurth dans SMS group, on est devenu le centre de développement des technologies de décarbonation dans le groupe », dit Thiago Campos. La plupart des technologies nouvelles qui nous semblent les plus prometteuses pour garantir un acier décarboné dans le futur sont développées à Luxembourg, grâce à notre savoir-faire et à un important réseau de partenariats. »
Les principes de capture de CO2 ont induit l’étude de combustibles propres pour l’aviation, alors qu’ils ne figurent pas a priori dans le cœur de métier de Paul Wurth. Le CO2 capturé, mélangé à d’autres composants, peut permettre la fabrication d’un carburant à impact carbone plus faible parce qu’il part d’un CO2 déjà présent dans l’atmosphère et réduit grâce à de l’hydrogène vert. « Ce kérosène contient du carbone, mais il n’est pas issu de l’extraction de pétrole », insiste Thiago Campos.
Ne pas tuer l’industrie européenne
« Face au changement climatique, nous devons tous nous sentir responsables, et même acteurs. L’industrie sidérurgique est indéniablement responsable d’une bonne partie des émissions indésirables. Concrètement, c’est l’accord de Paris, lors de la COP 21, qui a prévu des objectifs chiffrés en matière de réductions. Auparavant, il y avait bien une démarche collective qui était en œuvre dans ce sens; mais s’il n’y a pas une autorité ou un groupe de référence décisionnaire qui suscite des engagements clairs et fermes, la dynamique n’est pas la même. »
« La COP 21 a donc débouché sur la définition d’objectifs de réduction, secteur par secteur. La sidérurgie étant responsable d’entre 7 et 8% des émissions globales, nous avions un rôle important. Des réglementations européennes spécifiques ont vu le jour et ont créé un effet en cascade. Le consommateur final doit faire des efforts, le fournisseur doit faire des efforts… Par exemple, quand les voitures doivent être adaptées, l’industrie automobile doit agir et toute la chaîne de valeur, y compris l’industrie sidérurgique, doit participer activement de cette transformation. »
Le sidérurgiste a en tout cas besoin de technologies lui permettant de réduire son impact carbone. C’est là que des industries comme SMS group entrent dans le jeu. « Notre contribution est capitale puisqu’il nous incombe de facto de définir les chemins à suivre dans cette démarche. Il faut réduire les émissions de 30% pour 2030 et être neutre en carbone en 2050. Des financements de l’Union européenne sont indispensables pour ces nouveaux investissements et il faut également prendre des mesures concernant le commerce international. Il ne sert à rien de demander en Europe de produire un acier plus vert, qui va coûter plus cher, tout en laissant entre un acier importé ne répondant pas aux mêmes normes et présentant un prix beaucoup plus intéressant. On tuerait l’industrie européenne. »
Énergie hydraulique et hydrogène
« Au Nord de la Suède, à Boden, nous avons le projet Stegra, décrit Thiago Campos. C’est un projet « greenfield », qui part donc de zéro. Il s’agit de construire une toute nouvelle usine pour produire de l’acier neutre en carbone, à destination du marché automobile. L’emplacement a été conditionné par l’accès à une énergie hydraulique abondante. Nous mettons en place un procédé de réduction directe utilisant de l’hydrogène produit à partie d’énergie renouvelable (hydraulique et éolienne). Le composé issu du processus (DRI – direct reduced iron) est ensuite mélangé avec des ferrailles dans un four électrique qui fonctionne aussi grâce à de l’électricité verte. On enlève toutes les sources de carbone dans cette chaîne de production, y compris dans les procédés de mise en forme, ce qui est révolutionnaire. Sa mise en service est prévue dans la seconde moitié de l’année 2026. À l’exception des électrolyseurs et du réacteur de réduction directe, tous les équipements sont conçus et fournis par SMS group.
Réduction directe et gaz
Stegra est un projet vitrine pour SMS group, comme l’est également celui de ThyssenKrupp à Duisbourg (Allemagne). Il s’agit là d’un projet « brownfield », consistant à adapter des installations existantes. Comme dans le cas de Stegra, un réacteur de réduction directe sera construit. Le gaz naturel sera ici utilisé au début pour le processus de réduction, faute d’hydrogène en quantité et à un coût abordable. « Le gaz est, certes, une source carbonée, mais avec un niveau d’émissions de CO2 plus faible que le charbon », remarque Thiago Campos.
Dans la réduction directe, au lieu de produire du fer liquide au départ d’oxyde solide, on charge de l’oxyde, on fait passer un gaz et on obtient un composant riche en fer… mais encore solide. Il s’agit d’un DRI (direct reduced iron). Il doit encore être fondu, soit dans un four électrique, soit dans un convertisseur à oxygène, ou être placé dans un SAF (submerged arc furnace) qui va fondre le DRI. Dans ce procédé, il y a donc découplage entre réduction et fusion, contrairement aux hauts-fourneaux classiques. Le produit est de la fonte liquide, comme avant. L’avantage pour ThyssenKrupp, c’est donc que l’infrastructure en aval (convertisseurs, coulée continue, métallurgie secondaire…) pourra être conservée pour exploiter la fonte en fusion. La clé du projet, pour ThyssenKrupp, c’est de décarboner en limitant l’investissement: une partie importante des installations reste utilisable, là où elles existent déjà.
Pour le processus de réduction directe, SMS group est en fait partenaire du groupe américain MIDREX, détenteur de la technologie, dont il assure sous licence l’installation dans les usines et la construction de réacteurs partout dans le monde. Les technologies SAF reposent quant à elles sur des brevets propres de SMS.
EASyMelt : décarboner la route conventionnelle
A l’horizon 2050, on n’arrivera pas à l’objectif de réduction avec ces deux seules routes (besoins accrus en acier des économies émergentes, quantité insuffisante d’un minerai de qualité disponible pour la réduction directe, idem pour les produits de recyclage: ni qualité ni quantité en suffisance). L’hydrogène est un autre facteur limitant (et particulièrement l’hydrogène vert). L’électricité renouvelable n’est pas disponible en suffisance, et pas partout.
Pour atteindre la demande de 2050, il est impossible de se passer des hauts-fourneaux. Il importe donc de décarboner la route conventionnelle. Une des missions de SMS group et Paul Wurth est d’imaginer une adaptation de ces outils avec un impact environnemental beaucoup plus faible.
« Pour cela, révèle Thiago Campos, nous développons à Luxembourg un produit baptisé EASyMelt (Electrically Assisted Syngas Smelter), qui est un haut-fourneau où l’apport en carbone (via le coke ou le charbon) est réduit très fortement. Pour rappel:
- dans un haut-fourneau, vous chargez de l’oxyde de fer avec du carbone; celui-ci entre dans le process à deux endroits: sous la forme de coke, par le sommet du haut-fourneau et par injection dans la partie inférieure, via les tuyères (charbon pulvérisé). Le carbone sert notamment à créer un gaz réducteur (CO) qui va rencontrer l’oxyde de fer et en capturer l’oxygène; cette réaction est la clé du problème, puisqu’elle est génératrice du CO2 en grosse quantité. C’est cela la source des émissions néfastes qu’il faut combattre.
- Un haut-fourneau est très consommateur en énergie, puisqu’il faut fondre les matières. Quand l’air chaud rencontre le carbone, une réaction exothermique se produit, qui génère de la chaleur.
L’idée d’EASyMelt, c’est de réduire l’apport en carbone. Il faut un substitut pour le processus de réduction et pour l’apport en énergie. Le procédé permet de recycler les gaz produits (gaz du haut-fourneau lui-même, gaz de cokerie, gaz naturel…) pour faire un process de reformage. Le procédé consiste par exemple à mélanger du CO2 (venant du gaz du haut-fourneau) avec du CH4 (présent dans le gaz de cokerie ou le gaz naturel) . Lors de la réaction, le CO2 se transforme en CO et on génère également de l’hydrogène. (CO2 + CH4 = 2CO + 2H2). Le produit de cette réaction de reformage est un gaz très réducteur, mélange du CO et de l’hydrogène, le Syngas. Il permet de réduire nettement la quantité de coke utilisée.
Syngas et torches plasma
Ce Syngas est réinjecté dans le haut-fourneau à deux endroits différents: dans la partie inférieure, via les tuyères classiques et au niveau supérieur, dans la cuve du haut-fourneau, un endroit stratégique pour minimiser la formation de CO2 par le procédé . EASyMelt est très flexible puisqu’il permet d’utiliser plusieurs types de gaz, plusieurs types de matières, et de combiner des technologies. Si on veut limiter l’injection de Syngas aux tuyères classiques, le système fonctionnera. Mais plus on ajoutera des briques de technologie, plus on réduira l’impact carbone. Le syngas fait donc office d’agent réducteur partiel (il remplace une partie du coke et du charbon).
Pour résoudre le pan « énergie », on utilise la technologie des torches plasma, qui fournissent un apport électrique de forte intensité et qui permettent de chauffer de la matière jusqu’à plus de 2000°C. Cela fournit l’énergie nécessaire au fonctionnement du haut-fourneau. Si des énergies vertes sont utilisées pour cet apport en électricité, la réduction de l’impact carbone est évidente. Le nucléaire, considéré comme énergie décarbonée, peut aussi être utilisé.
En combinant ces technologies, l’empreinte carbone du haut-fourneau peut être réduite de 60 à 70%. La solution n’est certes pas encore « neutre » en carbone, mais SMS group travaille à mettre sur le marché des technologies de capture de carbone. « Nous étudions celle qui sera la plus adaptée à notre procédé. Pour aller jusqu’au bout, un système de captage du carbone peut être ajouté au Paul Wurth EASyMelt afin d’atteindre la neutralité carbone, ou presque», assure Thiago Campos.
Si les projets chez Stegra et ThyssenKrupp sont en voie de réalisation, et devraient être opérationnels en 2027, EASyMelt est en plein développement. SMS group compte sur son partenariat avec Tata Steel, en Inde, pour construire un démonstrateur de la technologie, à l’horizon 2030. Des tests sont réalisés actuellement avec d’autres partenaires pour la fabrication de Syngas et l’électrification via des torches plasma. « Nous avons une technologie propre, brevetée, qui nous permet de fabriquer du Syngas non catalytique à partir des gaz de la sidérurgie. On pourra l’utiliser en combinaison avec l’hydrogène pour adapter d’anciennes unités de fabrication. »
Décarboner, mais comment et à quel prix?
« Tout sera fonction des coûts, explique Thiago Campos. Nos clients sont bien conscients qu’il faut décarboner, mais parfois ils ne savent pas quelle voie suivre. Le but principal de notre équipe, c’est d’accompagner les clients dans ce choix essentiel, et déterminer les technologies les mieux adaptées à leur situation précise. Dans certaines situations, la configuration de coût d’EASyMelt en fait un outil adapté à la transformation des hauts-fourneaux existants dans un scénario décarboné. Le prix à payer sera moins élevé que s’il faut raser un haut-fourneau et mettre un four de réduction directe à la place ou raser un convertisseur à oxygène et le remplacer par un four électrique. Mais chaque client a sa réalité, qui dépend des combustibles et de l’énergie disponibles, de la qualité du minerai ou de la ferraille… En tout cas, la décarbonation est un phénomène régional, dont tous les composants doivent être pris en compte, afin de définir des solutions technologiques capables de respecter les objectifs de réduction du CO2. »
Les projets Stegra et Thyssenkrupp sont rendus possibles par la forte intervention des pouvoirs publics. Aujourd’hui, la route conventionnelle est responsable de 70% de la production mondiale. « On peut imaginer qu’en 2050, la production se répartira entre un tiers aux aciéries électriques, un tiers à la réduction directe et un tiers sur la route conventionnelle décarbonée, avec un aspect numérique très important, estime Thiago Campos. On sait bien que les flux digitaux permettent une optimisation des gaz industriels plus adaptée. »
Capture de carbone: pas si simple
Pour les trois chemins, à des amplitudes variables, la technologie de capture de carbone sera indispensable pour pouvoir atteindre la neutralité totale. « La capture existe, mais n’est pas encore capable de capturer 100% du CO2 produit, dans la sidérurgie comme dans les autres industries, constate l’ingénieur. Nous suivons de près toutes les initiatives prises en la matière. Notre intérêt est de connecter ces technologies à nos procédés. En attendant, nous continuons à fournir des technologies conventionnelles, mais en les modernisant, en les mettant au goût du jour, pour qu’on puisse les utiliser avec un plus faible impact carbone. »
L’ingénieur et le virage environnemental
Pour un ingénieur qui n’a pas nécessairement été formé et sensibilisé au développement durable, et en tout cas aux techniques qu’il sous-tend, le virage environnemental constitue une étape importante. Chez Thiago Campos, il est inscrit dans des racines qui mêlent sans conflit le respect de la nature et l’utilisation de ses ressources. « Un ingénieur, à la base, il est là pour résoudre des problèmes, rappelle Thiago Campos. Pas de problème, pas d’ingénieur… Dans mon cas personnel, je viens d’une région du Brésil (Minas Gerais) où l’activité minière est au cœur de l’économie, et où l’activité sidérurgique est fortement implantée. J’ai fait le choix d’étudier la métallurgie parce que j’étais fasciné par les procédés de transformation des ressources naturelles vers quelque chose d’utile. J’ai eu de la chance, dans mon parcours professionnel, de pouvoir naviguer dans les différentes étapes du process. À un moment donné, je me suis dit que si on ne faisait rien pour préserver l’environnement, on allait laisser un monde peu enviable à nos enfants. Quel était le moyen de continuer à suivre ma passion, tout en contribuant à l’effort du développement durable? C’était de participer à cet effort de décarbonation. Cela a guidé le changement dans ma vie professionnelle. Je venais du laminage, dont l’impact est plus faible que l’amont de la chaîne. Travailler sur les nouveaux procédés, et venir chez SMS group pour aider, c’était vraiment un choix naturel et logique. SMS group est la seule entreprise qui porte une vision sur l’ensemble des routes de production d’acier. »
