par Sofiene Amira, directeur scientifique au CQRDA
Actuellement, l’industrie de production de l’aluminium est responsable de 2 % des émissions globales de gaz à effet de serre (GES), ce qui équivaut à 1 gigatonne de CO2 (1 Gt CO2 eq) [1]. Ces émissions proviennent de la chaine de valeur de l’industrie de l’aluminium primaire et secondaire. L’aluminium primaire désigne l’aluminium produit par électrolyse de l’oxyde d’aluminium suivant le procédé Hall-Héroux. Ce procédé nécessite l’application d’un courant électrique de plusieurs centaines de kA et l’utilisation d’anodes fabriquées à partir de matériaux carbonés. L’aluminium secondaire désigne quant à elle l’aluminium produit par recyclage. La chaine de valeur de l’industrie de production de l’aluminium réfère à la production de l’alumine, à la production des anodes, à l’électrolyse et à la production des lingots (cas de l’aluminium primaire) et aux activités reliées au recyclage comme la collecte, la séparation et le traitement des rebuts, ainsi que la refonte (cas de l’aluminium secondaire).
La production de l’aluminium primaire est responsable de la quasi-majorité des émissions de GES de l’industrie de production de l’aluminium à l’échelle mondiale, et ce dans une proportion de 95 % [1]. En effet, la production de l’aluminium primaire génère une empreinte carbone moyenne de 16 t CO2 eq/t Al, ce qui est largement supérieur à l’empreinte carbone générée par la production de l’aluminium secondaire, évaluée à 0,5 t CO2 eq/t Al [1,2].
Les principales sources des émissions de GES dans l’industrie de l’aluminium primaire
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L’énergie électrique
L’énergie électrique utilisée pour produire l’aluminium primaire est accaparée essentiellement par l’électrolyse, et peut être une source importante d’émissions de GES, dépendamment de son origine. En effet, la consommation en énergie du procédé Hall-Héroux est évaluée à 14 MWh /t Al. En 2021, on estimait que 67 % de l’énergie électrique utilisée dans la production de l’aluminium primaire à l’échelle mondiale provenait d’énergies fossiles, notamment du charbon (57 %) et du gaz naturel (10 %). Le 33 % restant de l’énergie électrique utilisée dans la production de l’aluminium primaire provient de sources ne causant pas d’émission de GES, notamment l’énergie hydraulique (30 %), alors que la part des énergies renouvelables (solaire, éolien, géothermique) et du nucléaire demeure marginale. Il importe cependant de souligner les disparités en ce qui a trait aux sources d’énergie électrique utilisées pour produire l’aluminium primaire à travers le monde. Ainsi, 82 % de l’électricité utilisée pour produire l’aluminium primaire en Chine (1er producteur mondial de l’aluminium) provient du charbon [1]. Dans les pays du Golf arabe (Oman, Qatar, Arabie Saoudite, ÉAU), c’est le gaz naturel qui constitue l’unique source d’électricité pour cette industrie (à 99,3 %). D’un autre côté, l’énergie hydraulique constitue la principale source d’énergie électrique pour l’industrie de l’aluminium primaire en Europe (92,7 %), en Russie (93 %) en Amérique du Nord (95,3 %) ainsi qu’en Amérique du Sud (81,8 %). Ces disparités expliquent les écarts des émissions de GES de l’industrie de l’aluminium primaire à travers le monde, qui peuvent varier d’une moyenne de 20 t CO2 eq/t Al en Chine à 5 t CO2 eq/t Al au Canada [1-3].
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La production de l’alumine
La production de l’alumine (Al2O3) à partir de la bauxite (minerai principal de l’aluminium qui comprend, en plus de l’alumine, d’autres oxydes comme l’oxyde de silicium et l’oxyde de fer) se fait essentiellement par le procédé Bayer. Ce procédé fait intervenir trois étapes de transformation, à savoir : (1) une lixiviation pour produire une dissolution de l’alumine contenue dans la bauxite et la formation d’hydroxyde d’aluminium; (2) la précipitation de l’hydroxyde d’aluminium; et (3) la calcination pour transformer l’hydroxyde d’aluminium en alumine. Bien que le procédé Bayer ne génère pas directement des émissions de GES, l’énergie thermique nécessaire au procédé lui-même est produite à partir de combustibles fossiles (mazout, gaz naturel). L’empreinte carbone de la production de l’alumine inclut également les émissions attribuées à l’extraction, au traitement et au transport de la bauxite, et celles reliées aux produits utilisés dans le procédé Bayer (soude caustique, chaux, floculants, etc.). L’empreinte carbone de la production de l’alumine à l’échelle mondiale est très variable dépendamment des sources d’énergie et des technologies utilisées (fours tournants ou lits fluidisés, récupération ou non de la chaleur, etc.). Cependant, des données fournies par l’IAI (International Aluminum Institute) évaluent la moyenne des émissions globales de la production de l’alumine à 2,7 t CO2 eq /t Al, où la contribution de l’énergie thermique du procédé Bayer est estimée à 1,9 t CO2 eq /t Al [1-3].
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La production des anodes précuites
Les anodes utilisées dans le procédé Hall-Héroux sont fabriquées à partir de coke de pétrole et de brai de houille. La cuisson des anodes se fait à environ 1150 °C suivant un cycle qui peut durer environ 2 semaines. Selon plusieurs estimations, la moyenne des émissions de GES issues de production des anodes précuites et de leurs matières premières (incluant le transport) se situe aux alentours de 1,0 t CO2 eq /t Al [3,5].
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La production de l’aluminium
L’électrolyse de l’aluminium à partir de l’alumine dissoute dans un sel fondu (cryolithe) suivant le procédé Hall-Héroux s’accompagne du dégagement à l’anode de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone, et de perfluorocarbures (PFC). Ces gaz à effet de serre sont le résultat de réactions avec le carbone de l’anode. Les émissions de GES issues de l’électrolyse de l’aluminium varient entre 1,4 et 1,6 t CO2 eq /t Al pour la plupart des alumineries modernes [2, 3, 5].
Le défi de la décarbonation de l’industrie primaire
Le défi de la décarbonation de l’industrie de l’aluminium primaire doit être abordé dans le cadre d’un contexte mondial marqué par l’urgence climatique. Entre 2005 et 2019, les émissions mondiales de GES ont augmenté de 23,6 %, passant de 38 à 48 Gt de CO2 eq. En 2021, les émissions de GES à l’échelle mondiale ont été évaluées à 50 Gt de CO2 eq. Le consensus scientifique mondial estime que ces rejets de GES ainsi que l’augmentation de leur concentration dans l’atmosphère mènent à un réchauffement et à des changements climatiques, notamment des sécheresses, des vagues de chaleur et des précipitations plus fréquentes et plus graves. Selon des données de la NASA [6], les années 2016 et 2020, avec une température supérieure de 1,25 °C par rapport à la période préindustrielle (1850-1900), se classent au premier rang parmi les années les plus chaudes depuis 1850. Or, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat de l’ONU (GIEC) estime que le franchissement du seuil de 1,5 °C risque de déclencher des impacts beaucoup plus graves sur le climat [7]. Pour limiter le réchauffement climatique à 1,5 °C, les émissions de gaz à effet de serre doivent diminuer de moitié d’ici 2030 avant de tendre vers des émissions nettes zéro (carboneutralité) en 2050. Ces cibles très ambitieuses combinées à des délais très courts donnent la mesure de l’urgence climatique que nous vivons actuellement.
Avec l’industrie de l’acier, des fertilisants et des cimenteries, l’industrie de l’aluminium compte parmi les industries de commodités les plus émettrices de GES. La réduction de l’empreinte carbone de l’industrie de l’aluminium primaire et la transition vers la carboneutralité en 2050 représentent un défi de taille à relever pour les raisons suivantes :
- La production de l’aluminium primaire par électrolyse demeure très énergivore malgré toutes les améliorations opérationnelles et techniques apportées au procédé Hall-Héroux au fil des années. Rappelons que la consommation en énergie électrique du procédé Hall-Héroux est de l’ordre 14 MWh /t Al. Or, une proportion significative de cette énergie est produite à partir de combustibles fossiles, à savoir le charbon (à 57 %) et le gaz naturel (à 10 %). Pour mettre ces chiffres en perspective, rappelons que le charbon et le gaz naturel émettent environ 1 et 0,767 t de CO2 eq par MWh d’électricité produite, respectivement [8].
- L’énergie nécessaire pour atteindre les températures élevées nécessaires à la production de l’alumine (jusqu’à 1300 °C lors de la calcination) et à la cuisson des anodes (1150 °C) est également produite par combustibles fossiles (charbon, mazout, gaz naturel).
- Le coke de pétrole, qui constitue avec le brai de houille l’une des deux matières premières pour la production des anodes, est un sous-produit du raffinage du pétrole. L’empreinte carbone du coke de pétrole a été estimée à 0,490 t de CO2 eq / t Al, ce qui représente 60 % du total des émissions lors de la production des anodes de carbone [2,5].
- Le dégagement de CO2 et d’autres gaz à haut potentiel d’effet de serre (les PFC notamment) à l’anode, évalué à 1,4 – 1,6 t de CO2 eq / t Al [2,5], est un phénomène inhérent au procédé Hall-Héroux et à l’utilisation des anodes de carbone.
- Le transport sur de longues distances de la bauxite vers les sites de production de l’alumine, et/ou de l’alumine vers les alumineries. À titre d’exemple, les alumineries canadiennes s’approvisionnent en grande partie en bauxite/alumine depuis le Brésil, alors que plusieurs alumineries en Chine et en Russie importent leur bauxite depuis la Guinée ou l’Australie.
- L’augmentation constante à l’échelle mondiale de la demande pour l’aluminium pose une pression supplémentaire sur l’industrie en termes de réduction d’émissions de GES. Cette demande est alimentée par le rôle de plus en plus important que joue l’aluminium dans la transition énergétique à cause de ses propriétés uniques de légèreté, de durabilité, et de facilité de mise en forme, ce qui favorise son utilisation dans plusieurs secteurs (transport, construction, emballage, etc.) [4]. Ainsi, si la tendance se maintient, la demande mondiale pour l’aluminium passera de 100 Mt en 2020 (67 Mt en aluminium primaire, 33 Mt en aluminium secondaire) à 179 Mt en 2050 (88 Mt en aluminium primaire, 91 Mt en aluminium secondaire), ce qui fera passer les émissions totales de GES de l’industrie de l’aluminium de 1 Gt CO2 eq en 2020 à 1,9 Gt CO2 eq en 2050 [1].
Des leviers pour la décarbonation
Malgré l’ampleur du défi que pose la décarbonation de l’industrie de l’aluminium primaire, cette dernière a entrepris des actions pour une transition énergétique visant à réduire significativement ses émissions GES et atteindre ultimement la cible de la carboneutralité en 2050. À cet effet, l’industrie de l’aluminium primaire dispose de plusieurs leviers pour atteindre ces objectifs, à savoir :
- Remplacer les combustibles fossiles (notamment le charbon) par des sources d’énergie à faible ou non émettrices de GES pour la production de l’électricité destinée l’électrolyse de l’alumine. Il s’agit du principal levier permettant de réduire significativement les émissions GES de l’industrie. À titre d’exemple, remplacer le charbon par une source d’énergie à faible ou non-émettrices de GES (hydraulique, solaire, éolienne, géothermique, nucléaire) entraînerait une réduction immédiate de l’empreinte carbone de l’industrie de l’ordre de 14 t de CO2 eq / t Al.
- Réduire l’empreinte carbone de l’étape de production de l’alumine en éliminant le recours aux combustibles fossiles comme sources d’énergie thermique et en intégrant des technologies à faibles émissions de GES comme des chaudières électriques ou à hydrogène, la recompression mécanique de la vapeur, des calcinateurs électriques ou à hydrogène, etc. [1].
- Remplacer les anodes de carbone par des anodes inertes qui dégagent de l’oxygène au lieu du CO2 et des PFC lors de l’électrolyse. La mise au point de ces anodes à une échelle industrielle demeure un défi technologique à cause des exigences requises, dont la résistance à l’attaque par le bain d’électrolyte fluoré en fusion et par l’oxygène pur, une conductivité électrique élevée, une robustesse mécanique et une résistance au choc thermique, ainsi que la facilité à être implantée (connexion à l’alimentation électrique, démarrage, interruption du courant) [9]. Malgré ces exigences élevées, plusieurs producteurs d’aluminium primaire (Rio Tinto/Alcoa [Elysis], Russal, Trimet Aluminum) sont en train de travailler sur le développement des anodes inertes avec des résultats encourageants et des possibilités d’implantation à une échelle industrielle dans les années à venir.
- Déployer des technologies de captation et de stockage du carbone (CSC). Ces technologies se basent sur le principe de la captation les émissions de CO2 avant qu’elles n’atteignent l’atmosphère, suivi de leur compression à des niveaux pouvant dépasser 100 atm. Ces gaz comprimés seront ensuite injectés sous terre à des profondeurs de 1000 m ou plus dans des couches de roche poreuse sous des roches imperméables où ils resteront stockés indéfiniment [10]. Selon les cas, les gaz captés et comprimés peuvent être transportés par pipelines ou par bateaux vers les sites de stockage. Dans l’industrie de l’aluminium primaire, la CSC peut être implantée soit à l’étape de la production de l’énergie électrique destinée à l’électrolyse, ou pour la captation du CO2 présent dans les fumées produites par les alumineries. Dans ce dernier cas, les technologies de CSC sont encore à l’étape de « la preuve de concept » et des défis de taille sont déjà identifiés, comme la faible concentration en CO2 des fumées produites par les alumineries (environ 1 %), ce qui nécessitera le développement de techniques de concentration du CO2. La disponibilité du transport à partir des alumineries ainsi que les structures de stockage constituent un autre défi face à l’implantation de la CSC dans l’industrie de l’aluminium primaire.
Bien entendu, ces leviers ne sont pas au même niveau de maturité technologique, de disponibilité sur le marché, et de facilité d’implantation. À titre d’exemple, le remplacement des combustibles fossiles par des sources d’énergie non émettrices de GES pour la production de l’électricité destinée à l’électrolyse reste faisable si l’objectif est poursuivi, alors que le développement des anodes inertes est encore à l’étape pilote et leur implantation à l’échelle industrielle pourrait nécessiter des réaménagements et adaptations des alumineries actuelles, dont les coûts demeurent à estimer.
Quelles actions pour la réduction de l’empreinte carbone?
L’industrie de l’aluminium primaire a toujours été à l’avant-garde pour l’amélioration de ses technologies en vue de la réduction de son empreinte carbone. Le meilleur exemple dans ce sens est celui des améliorations successives introduites sur le procédé d’électrolyse (procédé Hall-Héroux) durant les dernières décennies, qui ont permis de réduire sa consommation en énergie électrique d’environ 20 à 14 MWh /t Al actuellement. Concernant la lutte aux changements climatiques et la transition vers la carboneutralité en 2050, plusieurs acteurs de l’industrie (Rio Tinto, Alcoa, Hydro, Alba) ont adopté des politiques ambitieuses pour l’atteinte de cet objectif, et ce en passant par des cibles intermédiaires. De même, plusieurs initiatives importantes et concrètes ont été déjà entreprises par des acteurs de l’industrie de l’aluminium primaire en vue de décarboner leurs activités. En voici quelques exemples :
Le transfert d’une partie de la capacité de production chinoise vers des zones avec des ressources abondantes d’énergies renouvelables
La Chine est le plus grand producteur mondial d’aluminium, avec plus de 55 % de la production mondiale d’aluminium (38,5 Mt en 2021). L’industrie chinoise de l’aluminium est également considérée comme la plus polluante au monde parce qu’elle dépend de l’électricité produite au charbon dans une proportion de 82 % (contre 16 % à partir de l’hydroélectricité). Or, le gouvernement chinois a annoncé en 2020 une stratégie nationale pour plafonner les émissions du pays d’ici 2030 avant d’atteindre la carboneutralité d’ici 2060. Dans le cadre de cette stratégie, la Chine a élaboré un plan pour le transfert d’une partie de sa production d’aluminium primaire vers le sud-ouest, notamment les provinces de Yunnan et de Guangxi qui disposent de ressources abondantes en hydroélectricité. Ce plan prévoit le transfert de 2 à 3 Mt de production d’aluminium primaire annuellement entre 2020 et 2025 vers le sud-ouest où la Chine vient de terminer la construction de la centrale hydraulique de Baihetan sur la rivière Yangtze, dotée d’une capacité de production de 16 GW [11-12].
Entrée en service de l’aluminerie de Taishet (Russie)
UC Russal, plus grand producteur mondial d’aluminium au monde (hors Chine), a annoncé fin 2021 l’entrée en service de sa nouvelle aluminerie à Taishet en Sibérie (Russie). Cette aluminerie, alimentée par hydroélectricité et dotée d’une capacité de production de 428 500 t Al, est présentée par UC Russal comme ayant l’une des plus faibles empreintes carbone au monde avec ses systèmes de nettoyage de gaz secs dotés d’une efficacité de capture de plus de 98,5 %. L’aluminerie de Taishet est équipée de cuves d’électrolyse de type RA-400T caractérisées par leur efficacité énergétique et ayant une capacité de production de 3 t Al par jour [13].
Production d’aluminium par la technologie des anodes inertes
La compagnie canadienne Elysis, une coentreprise formée par Alcoa et Rio Tinto, travaille activement depuis sa création en 2018 sur le développement et l’implantation de sa technologie d’anode inerte. Elysis a déjà produit avec succès son premier lot d’aluminium par la technologie des anodes inertes fin 2019 au Centre technique d’Alcoa. La compagnie travaille depuis 2020 à partir de son centre de recherche et développement industriel à la conception et à la fabrication de cellules d’électrolyse à anodes inertes adaptées à un environnement industriel. Actuellement, Elysis est en train de terminer la construction de ses premières cellules d’électrolyse commerciales à anodes inertes (installées sur le site de l’aluminerie de Rio Tinto à Alma) qui vont opérer à un courant de 450 kA [14,15].
D’un autre côté, UC Russal a annoncé en avril 2021 qu’elle a produit avec succès de l’aluminium de pureté supérieure à 99 % à faible teneur en carbone à son aluminerie de Krasnoyarsk (Russie) en utilisant sa technologie d’anodes inertes. Selon la compagnie, l’aluminium produit possède la plus faible empreinte carbone en aluminium au monde — avec moins de 0,01 t de CO2 eq / t Al. (excluant les émissions reliées à la production de l’alumine et des anodes précuites). La capacité de la nouvelle cellule expérimentale d’électrolyse avec anodes inertes installée à l’aluminerie de Krasnoyarsk est d’environ 1 tonne d’aluminium par jour sous un courant de 140 kA [16,17].
Utilisation de l’énergie solaire pour la production de l’aluminium chez Aluminium Bahrain (Alba)
Aluminium Bahrain B.S.C. (Alba), un producteur d’aluminium primaire du Moyen-Orient avec une capacité de production de 1,6 Mt Al (2022), a annoncé en janvier 2023 un projet pour l’installation de plus de 37 000 mètres carrés de panneaux solaires photovoltaïques à son aluminerie à Bahreïn. L’énergie renouvelable produite, estimée à 10 MWh par année, sera utilisée à la production d’aluminium primaire de haute qualité et devrait entraîner une réduction des émissions de carbone de l’ordre de 7590 t/année [18].
En conclusion, la production de l’aluminium primaire est responsable à 95 % des émissions de GES de l’industrie de production de l’aluminium à 1 Gigatonne de CO2 équivalent (1 Gt CO2 eq). La principale source des émissions de GES de l’industrie demeure la production de l’énergie électrique utilisée pour l’électrolyse de l’alumine, et réalisée à 67 % à partir d’énergies fossiles (charbon et gaz naturel). Les autres sources d’émission de GES sont issues de la production de l’alumine, des anodes précuites et du procédé d’électrolyse. La décarbonation de l’industrie de l’aluminium primaire pour lutter contre les changements climatiques représente un grand défi à cause des contraintes technologiques inhérentes au procédé Hall-Héroux et à la chaine de valeur de l’industrie. L’augmentation constante de la demande mondiale pour l’aluminium pose une pression supplémentaire sur l’industrie en termes de réduction d’émissions de GES. Malgré l’ampleur du défi, l’industrie de l’aluminium primaire a adopté globalement une approche proactive pour une transition énergétique visant la carboneutralité en 2050. Cette approche s’articule notamment autour du remplacement des combustibles fossiles (notamment le charbon) par des sources d’énergies propres pour la production de l’électricité destinée à l’électrolyse de l’alumine. D’autres avenues sont également considérées comme l’utilisation des anodes inertes, l’adoption de nouvelles technologies lors de la production de l’alumine (procédé Bayer), et la captation et le stockage du carbone.
