Les matériaux métalliques sont l'épine dorsale des économies modernes. Cependant, de grandes quantités de CO 2 sont produits au cours de leur production et de leur transformation. L'industrie métallurgique doit donc à l'avenir utiliser des procédés plus respectueux du climat. Le CO 2 l'équilibre des alliages et de leurs composants doit également être amélioré sur toute leur durée de vie. Dierk Raabe, Directeur au Max-Planck-Institut für Eisenforschung à Düsseldorf, explique les possibilités dont disposent déjà les entreprises industrielles à cet égard ainsi que les tâches que les métallurgistes doivent assumer afin d'atteindre l'objectif d'une industrie métallurgique durable.

Professeur Raabe, que pourraient faire aujourd'hui la sidérurgie et les autres filières métallurgiques pour réduire leur consommation de ressources et leur CO2 2 empreinte rapidement et sensiblement?

La protection contre la corrosion a un effet considérable car elle rend les produits plus durables. Il ne s'agit pas seulement de fer, qui rouille, mais aussi d'autres matériaux comme l'aluminium ou le nickel. Il s'agit aussi de corrosion par l'hydrogène, par exemple, qui a un effet beaucoup plus extrême sur les métaux que l'eau et l'oxygène. Il peut provoquer une fragilisation par l'hydrogène, des dommages pouvant entraîner une défaillance catastrophique soudaine des composants. Ce fut l'une des causes de la catastrophe de Deep Water Horizon, par exemple. Cependant, il joue également un rôle dans les centrales électriques, bâtiments industriels, et transports, surtout si nous voulons nous appuyer davantage sur l'hydrogène comme source d'énergie à l'avenir. Même si la protection contre la corrosion ne semble pas si excitante pour les profanes, il a un effet de levier considérable car jusqu'à 4 % de la production économique mondiale est détruite par la corrosion chaque année.

Dans quels domaines la corrosion est-elle un problème particulièrement important ?

Dans certaines régions, la protection contre la corrosion est déjà assez répandue. Par exemple, dans l'industrie automobile. Il y avait une question importante lors de l'achat d'une voiture :à quelle vitesse rouille-t-elle ? C'est maintenant une chose du passé. Cependant, infrastructures industrielles, grattes ciels, des ponts, les centrales électriques ou les trains - pensez à l'accident ferroviaire près d'Eschede en 1998 - sont encore très sensibles à la corrosion. Et cela ne fera que se multiplier lorsque l'hydrogène sera ajouté comme source d'énergie dans les dix prochaines années.

Où voyez-vous d'autres opportunités pour rendre l'acier et d'autres matériaux métalliques plus durables ?

L'électrification de la production de métal aura également une influence majeure. aluminium, le deuxième matériau métallique le plus important après l'acier pour les industries aéronautique et automobile, a longtemps été synthétisé par la réduction électrolytique du minerai d'aluminium. Cela nécessite beaucoup d'électricité, dont une partie est déjà obtenue à partir de sources renouvelables telles que l'hydroélectricité. Vous pouvez également produire d'autres métaux, même du fer, par électrolyse. Cependant, cela n'en vaut pas la peine en raison des prix élevés de l'électricité. En tout, l'électrification est l'un des plus grands leviers pour la durabilité de la production primaire et de la transformation ultérieure des métaux si l'électricité provient exclusivement de sources renouvelables.

Quelles conditions sont nécessaires pour produire du fer avec de l'électricité ?

L'expansion lente des lignes électriques pour l'électricité verte devrait enfin accélérer le rythme. Car il faut bien préciser que dans des régions comme la Ruhr, où le fer est produit, vous devrez attendre encore de nombreuses années pour une connexion à une alimentation électrique verte suffisante pour de telles industries, comme le montre la page d'accueil de l'Agence fédérale des réseaux. En outre, estimations de marché par le Wuppertal Institute, par exemple, montrent qu'il peut s'écouler jusqu'à 20 ans avant que les procédés tout électrique ne deviennent compétitifs.

Pour la sidérurgie, cependant, cela signifierait qu'elle devrait passer de la production de haut fourneau à des procédés complètement nouveaux. Est-ce réaliste ?

Même pour les pièces individuelles des aciéries intégrées et des fonderies d'aluminium, les coûts d'investissement sont si élevés que l'industrie ne peut pas se permettre de les reconstruire tous les dix ans. Initialement, cependant, les hauts fourneaux pourraient même être laissés en l'état. L'industrie peut remplacer le carbone pour la réduction (c'est-à-dire le coke, charbon, biomasse, et déchets plastiques) avec jusqu'à 20 % d'hydrogène, qui ferait, bien sûr, doivent être produites à partir d'eau en utilisant de l'électricité régénérative. Et parce que l'industrie sidérurgique représente environ 6 % du total mondial de CO 2 émissions, cela aurait un impact considérable. Ces procédés sont déjà testés à plusieurs endroits dans le monde. L'industrie peut également basculer la production vers la réduction directe à moyen terme. Le processus consiste à remplir des pastilles d'oxyde granulaire (telles que celles fournies par les mines après le traitement du minerai) sous forme de solides dans un four et à les convertir directement avec du méthane. Cela a longtemps été fait dans les pays où le méthane est abordable. Ce procédé a l'avantage que les plantes peuvent, en principe, être converti jusqu'à 100 % d'hydrogène.

Alors, quand le fer sera-t-il fondu avec de l'hydrogène ?

Le procédé entièrement à base d'hydrogène nécessitera 10 à 12 ans avant de pouvoir être mis sur le marché. On estime qu'ils seront d'env. 30% plus cher que la production actuelle des hauts fourneaux. Et le CO 2 l'augmentation des prix n'a pas encore été entièrement déterminée. Il se peut donc que dans 10 ans, une augmentation de 30 % sera un prix de marché compétitif si des matériaux concurrents moins durables provenant de l'extérieur de l'UE sont soumis à des conditions comparables. La pire de toutes les solutions serait que la production de métaux disparaisse d'Europe et que nous achetions des métaux non durables à des pays hors de l'UE. L'Europe a besoin d'une industrie de production et de transformation des métaux indépendante et durable, notamment parce qu'il génère environ 400 milliards d'euros par an.

Quel intérêt l'industrie de pays comme l'Allemagne pourrait-elle avoir à troquer ses usines contre des usines de réduction directe ?

D'une part, l'industrie sidérurgique peut produire du fer dans un CO 2 -manière réduite. Les entreprises en voient déjà la nécessité car elles peuvent estimer que les coûts augmenteront dans les années à venir à cause du CO 2 prix et parce que les constructeurs automobiles, par exemple, espérer utiliser une fraction croissante de CO 2 -acier réduit à l'avenir. D'autre part, la réduction directe permet également aux entreprises de devenir plus flexibles. Un haut fourneau doit fonctionner en permanence. Autrement, ça va tomber en panne. Avec des fours à réduction directe, les entreprises peuvent s'adapter de manière beaucoup plus flexible au marché et produire des aciers de différentes qualités. Nous sommes également surpris que l'industrie sidérurgique planifie et entreprenne déjà la conversion à de telles usines à grande échelle dans le monde entier. Certaines usines existantes sont déjà en cours de conversion à l'hydrogène. Dans les nouvelles années, l'industrie métallurgique va subir l'un des plus grands bouleversements de l'histoire. Depuis plus de 3500 ans, le fer a (en principe) été produit en utilisant le même procédé de réduction.

Quelles conditions-cadres politiques doivent être créées pour rendre la production de métal plus durable ?

Lors de la prise de décisions politiques, nous devrions, dans tous les cas, analyser comment les mesures législatives telles que les subventions ou les interdictions affectent le CO 2 équilibre sur des cycles de vie complets. Par exemple, si vous injectiez beaucoup d'argent dans la production d'acier entièrement électrolytique, ça sonnerait bien. Cependant, un regard sur le mix électrique montre que, comme pour la voiture électrique, il y a encore 25 % d'électricité de lignite. Ensuite, nous n'avons rien gagné. La durabilité doit également être pensée de manière durable. Ça ne sert à rien de s'exhiber.

À votre avis, où les réglementations légales auraient-elles un sens ?

Par exemple, dans les incitations aux cycles fermés de la ferraille dans l'industrie. Je vais vous donner un exemple :il y a des constructeurs automobiles qui ne produisent déjà principalement que des voitures en aluminium dans le segment haut de gamme et, dans certains cas, traiter jusqu'à 300, 000 tonnes d'aluminium par an. Cependant, lorsque les composants sont découpés dans la tôle, jusqu'à 45% du matériel est perdu. Maintenant, on pourrait penser qu'ils ramassent leur propre ferraille. Parce que quand l'aluminium est si pur, c'est comme de l'argent en main. Mais seules quelques entreprises le font de manière cohérente. Par exemple, ici dans l'UE. Sinon, il est encore beaucoup moins cher pour de nombreuses entreprises d'acheter du nouveau matériel sur le marché au lieu d'établir des cycles de rebut fermés. Et la plupart des ferrailles sont également déjà mélangées, ce qui réduit sa valeur jusqu'à un dixième. Par exemple, créer des incitations fiscales pour des cycles de rebut séparés à un stade précoce ferait bien plus que simplement collecter des capsules de café ou des emballages en aluminium, que nous produisons en tant que consommateurs. Cela ne veut pas dire que nous ne devrions pas nous en préoccuper. Mais par rapport aux déchets industriels, c'est une question de décimales.

Quels besoins de recherche voyez-vous pour les matériaux métalliques durables ?

À l'heure actuelle, de nombreux alliages différents sont utilisés dans de nombreux produits car ils ont tous des propriétés spéciales. Initialement, nous regardons quels éléments se produisent dans les alliages lorsqu'une certaine quantité de ferraille est utilisée. Par exemple, vous pouvez déjà trouver le néodyme extrêmement coûteux des moteurs électriques des lève-vitres et autres dans l'aluminium recyclé utilisé dans les voitures aujourd'hui, car ils ne sont pas séparés avant d'être fondus. On retrouve ainsi plus de 20 éléments dans des alliages que nous n'avions pas auparavant. Nous étudions comment ces impuretés modifient les propriétés des alliages. Nous espérons découvrir à quel point un matériau peut être impur tout en remplissant son objectif. Si nous pouvons prouver scientifiquement qu'un matériau peut être moins pur, nous pouvons augmenter la teneur en ferraille et ainsi réduire massivement le CO 2 empreinte.

La ferraille d'une industrie peut-elle être recyclée dans une autre ?

Nous étudions de telles possibilités. Nous regardons systématiquement où beaucoup de matière est consommée et si nous pouvons fabriquer des alliages qui peuvent tolérer plus d'impuretés. Par exemple, nous avons constaté que l'industrie de la construction utilise de plus en plus d'alliages d'aluminium liés à l'alliage aluminium-manganèse des canettes de boisson pour les tuiles, revêtement, éléments porteurs, ascenseurs, etc. Dans le cas des canettes, la proportion de recyclage et donc la quantité d'impuretés est déjà assez élevée, car l'alliage est relativement bon enfant et n'a pas besoin de pouvoir faire grand-chose. Nous voulons maintenant examiner si la canette est mise au rebut, que de nombreux pays produisent en plus grande quantité qu'en Allemagne, peut également être utilisé à des fins de construction.

Quelle est la deuxième étape de la recherche ?

We are trying to reduce the number of alloys and develop a kind of unitary alloy. This would be much better to recycle because much less sorting would be required. Jusqu'à maintenant, the specialization of materials has always been obtained at the price of a chemical change:Material scientists fiddle with the chemical composition until the fender, aircraft component, or turbine gets better. We would like to reduce this extreme diversification of varieties, which makes recycling difficult. A specific example:a car manufacturer could demand that a steel or aluminum producer use only two alloys instead of five, all of which have been perfected to impart a certain property such as strength or surface quality.

How could the diversity of alloys be limited?

The fundamental question here is whether we can achieve diversification not only through chemical composition but also primarily through changes in the micro- and nanostructure. This has traditionally worked well with metals. Cependant, you must invest a lot more effort in the production in order to achieve a certain size and orientation of the crystals (as an example). This approach shifts the basic approach of material production from materials chemistry to metal physics.

How many alloys do you expect would remain?

Par exemple, if you purchase an aluminum alloy today, you can choose between up to 280 alloys that can do anything that aluminum should be able to do. But if you look at what is really sold in large quantities, there are only 50 or 60 alloys left. And if you take a closer look at exactly what these alloys are supposed to achieve, you might end up with only 20 or 30 alloys. Bien sûr, that's just a rough estimate.

The CO 2 emissions of the metal industry could also be reduced by using less material. Do you see possibilities to make car bodies lighter, for example?

First of all:cars have become bigger and heavier in the past decades, partly because of additional equipment such as air conditioning, câblage, or on-board computers, which are considered the minimum standard today. And of course the situation is quite extreme with electric vehicles in which the battery alone weighs up to 800 kg. But you could add another 200 or 300 kg if the bodies hadn't already become much lighter because the alloys were getting harder and harder. Néanmoins, the competition among material manufacturers is still continuing to see who can supply the strongest steels and aluminum alloys. Because we are still at only about one tenth of the theoretically possible strength of these materials. So there is still a lot of research to be done to bring the materials to their physical limits.

Perhaps you as a metal researcher are not the right addressee for the next question. Nevertheless:would it make sense to replace metallic materials with plastics in some places?

You really are asking the wrong person. En réalité, polymer materials with carbon fibers have been propagated time and again for car bodies. But in terms of the ecological balance, this is really nonsense. The production of carbon fibers requires an extremely high amount of energy and releases large amounts of CO 2 . And in the end, you can only throw most of these materials into the waste incineration plant. It is often stated that these polymer-based materials can be recycled. But you can really only chop them up and make mats out of them. Metals, d'autre part, can be recycled infinitely often, provided that the scrap is collected by type, the effect of impurities is understood and controlled, and the variety of alloys used is reduced. And lightweight magnesium components already come very close to polymer components in terms of weight but are completely recyclable.