Le Ciment et le CO2

De manière générale, la production d'1 tonne de ciment émet une quantité équivalente de CO2 dans l'atmosphère. En somme, cela équivaut grosso modo à 1 kg de dioxyde de carbone libéré pour 1 kg de ciment produit.

Composant essentiel du béton, le ciment est l'un des matériaux les plus utilisés au monde. Produit dans plus de 150 pays, le ciment sert entre autres à construire des maisons, des bâtiments, des autoroutes, des tunnels, des voies ferrées ou encore des réservoirs. Il est d'ailleurs estimé que le béton est aujourd'hui le deuxième produit le plus utilisé à travers le monde après l'eau, la Chine, l'Inde et les États-Unis se classant parmi les plus gros producteurs de ciment. Certes, sous l'effet de la dernière crise économique, le marché de la construction a enregistré une baisse non négligeable, les mises en chantier de logements neufs, d'immeubles, de bâtiments industriels et autres ayant reculé. Néanmoins, avec une production mondiale de 3, 300 millions de tonnes en 2010, force est de constater que le ciment demeure plus que jamais répandu. Mais bien qu'essentiel sous de nombreux aspects, le ciment, de par son processus de fabrication, constitue également l'une des sources d'émission de CO₂ les plus importantes au monde avec des émissions s'élevant à 29,0 Tg CO₂ Eq ( 29 million de tonnes) en 2009*Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks : 1990–2009 , 4.1. Cement Production (IPCC Source Category 2A1), US-GHG-Inventory 2011-Chapter 3-Energy.pdf
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La libération du CO₂ par le ciment a lieu à deux niveaux lors de la production : premièrement, lors de la combustion d'énergies fossiles liée à la production de clinker, constituant clé du ciment et, deuxièmement, lors d'une réaction chimique permettant de convertir le calcaire en oxyde de calcium et dioxyde de carbone. Afin de mesurer le taux d'émissions issues de la production de ciment, il convient donc de s'intéresser plus particulièrement à la production du clinker lui-même, puisque c'est à ce niveau précis que le dioxyde de carbone est libéré. De plus, il faut noter que le taux d'émissions varie selon le type de ciment dont il s'agit, le ciment de maçonnerie et le ciment de Portland ne nécessitant pas la même quantité de chaux lors de leur production.

La production de ciment

Le ciment est un liant hydraulique artificiel obtenu à partir d'un mélange de calcaire, de chaux et d'eau. Les matières premières rentrant dans la composition du ciment (oxyde de calcium, silicium, aluminium et oxydes de fer) sont obtenues dans des mines ainsi que des carrières avant d'être broyées pour pouvoir être plus facilement acheminées vers les cimenteries*CO₂ Emissions Profile of the U.S. Cement Industry, Cement production process. Ensuite, les matières premières ayant été extraites subissent une série de transformations jusqu'à ce que le ciment soit finalement produit.

Les étapes préalables

La première étape de production consiste à réduire les minéraux obtenus lors de l'extraction en une poudre fine s'il s'agit d'un procédé à sec. Dans certains cas, les matières premières ayant été broyées sont d'abord mélangées à de l'eau afin d'obtenir une pâte boueuse*CO₂ Emissions Profile of the U.S. Cement Industry, Cement production process. Néanmoins, le procédé à sec est celui qui est désormais le plus utilisé, et ce notamment à cause du fait qu'il entraîne une consommation de combustibles moindre lors de la cuisson des minéraux au four*CO₂ Emissions Profile of the U.S. Cement Industry, Cement production process. La poudre ou la pâte obtenues sont alors introduites dans un four rotatif atteignant une température de 1450°C.

La production de clinker

Le clinker est un produit qui résulte de la cuisson des matières premières utilisées pour fabriquer le ciment et qui se présente sous la forme de granules dures. C'est à ce stade de production que le dioxyde de carbone est libéré, d'une part à cause des énergies fossiles utilisées pour mener à bien la combustion (principalement le charbon) et d'autre part à cause de la conversion du calcaire (CaCO₃) en chaux (CaO), celle-ci étant le principal composant du ciment. Néanmoins, il est important de noter que les émissions de CO₂ issues de la combustion d'énergies fossiles lors de la production de ciment sont quant à elles comptabilisées avec les autres émissions d'énergies fossiles, toutes sources confondues*CO₂ Emissions from cement production, 1.1 Nature, magnitude, and distribution of source , Overview of Cement Production , Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC). Lors de l'étape de la cuisson au four, le carbonate de calcium (CaCO₃) est porté à très haute température dans un four rotatif afin de donner lieu à diverses réactions chimiques complexes qui assureront la transformation des matières premières. De manière plus spécifique, le dioxyde de carbone (CO₂) est un sous-produit libéré lors de la combustion du carbonate de calcium lorsque la température atteint 600°C-900°C. Le carbonate de calcium (CaCO₃) est alors converti en oxyde de calcium (CaO) comme résumé dans l'équation suivante*CO₂ Emissions from cement production, 1.1 Nature, magnitude and distribution of source, Process description, Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC) :

• CaCO₃ + chaleur → CaO + CO₂

Lorsque la température atteint son seuil maximal à l'intérieur du four, l'oxyde de calcium obtenu réagit alors avec le silicium, l'aluminium et le fer pour former le clinker, composant qui, après avoir été refroidi sera mélangé avec un certain pourcentage de gypse afin d'obtenir le ciment de Portland. Obtenu à l'issue du même processus, le ciment de maçonnerie se différencie quant à lui par la quantité de chaux qui le compose, cette quantité étant supérieure à celle contenue dans le ciment de Portland*CO₂ Emissions from cement production, 1.1 Nature, magnitude and distribution of source, Process description, Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC). C'est d'ailleurs pour cette raison que la production de ciment de maçonnerie entraîne une libération plus importante de dioxyde de carbone.

Comment calculer la quantité de CO₂ émis lors de la production de ciment ?

Afin de pouvoir calculer la quantité de dioxyde de carbone émis lors de la production de ciment, il convient de déterminer de manière plus spécifique la quantité de dioxyde de carbone libéré lors de la production de clinker, ce composant étant à la base des émissions, comme mentionné plus haut.

Dans cette mesure, le GIEC (le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) recommande de multiplier la quantité de clinker produit par un facteur d'émission*CO₂ Emissions from cement production, Methodological issues, 2.1 Selection of good practice methods, Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC).

Équation de base

L'équation établie par le GIEC prend en compte les paramètres suivants :

• Données de production du clinker
• Poussière de four à ciment

Cette dernière donnée est particulièrement importante dans la mesure où le dioxyde de carbone est également émis lors du processus de calcination de la poussière de four à ciment. Une certaine quantité de cette poussière est incorporée dans le clinker, le reste n'étant pas utilisé. Or, ce pourcentage de poussière non utilisé constitue également une source d'émission de dioxyde de carbone, celle-ci n'étant pas prise en compte dans les estimations liées aux émissions provenant du clinker*CO₂ Emissions from cement production, Other important issues, 2.6.2 Cement Kiln Dust (CKD), Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC). Le GIEC recommande de multiplier un facteur d'émission par la quantité de poussière de four à ciment ayant été perdue afin de déterminer les émissions de CO₂ supplémentaires*CO₂ Emissions from cement production, Other important issues, 2.6.2 Cement Kiln Dust (CKD), Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC). Néanmoins, les données de production de poussière de four à ciment n'étant pas toujours connues, il a été établi par le GIEC que la quantité de CO₂ provenant de la poussière non utilisée équivaut approximativement à un taux variant entre 2 et 6 % de la quantité totale de CO₂ libéré lors de la production de clinker*CO₂ Emissions from cement production, Other important issues, 2.6.2 Cement Kiln Dust (CKD), Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC). L'équation générale permettant de déterminer la quantité de CO₂ émis lors de la production de ciment est la suivante*CO₂ Emissions from cement production, Methodological issues, 2.1 Selection of good practice methods, Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC) :

• Données de production × Facteur de correction de la poussière de four à ciment = Quantité de CO₂ libéré lors de la production de clinker

Ciment de maçonnerie

Puisque le ciment de maçonnerie nécessite une quantité de chaux plus importante, il apparaît évident que la quantité de dioxyde de carbone émis sera alors supérieure.

En effet, l'ajout de chaux supplémentaire est responsable de la quantité plus conséquente d'émissions de CO₂ et c'est pourquoi le GIEC recommande d'utiliser une équation différente pour mesurer les émissions liées à la production de ciment de maçonnerie*CO₂ Emissions from cement production, Methodological issues, 2.1 Selection of good practice methods, Masonry Cement Production Data , Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC). Cette équation prend en compte les paramètres suivants :

• fraction de la totalité de ciment de maçonnerie produit (a)
• fraction du poids ajouté au ciment de maçonnerie par des additifs non-plastifiants tels que la chaux, le laitier et le schiste argileux (b)
• fraction du poids de la chaux (c)

L'équation recommandée par le GIEC est donc la suivante*CO₂ Emissions from cement production, Methodological issues, 2.1 Selection of good practice methods, Masonry Cement Production Data , Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC) :

• a × (toute la production de ciment) × ( (1-1/(1+b) ) × c ) × 0,785 =Quantité de CO₂ (en tonnes) issu de l'ajout de chaux

Dans l'équation ci-dessus, a × (toute la production de ciment) équivaut à la production de ciment de maçonnerie, ( (1-1/(1+b) ) à la fraction de chaux du ciment de maçonnerie non imputable au clinker et ( (1-1/(1+b) ) × c ) × 0,785 au facteur d'émission de CO₂ provenant des additifs.

Ciment de Portland

Contrairement au ciment de maçonnerie, le ciment de Portland ne nécessite pas de chaux supplémentaire. Pour obtenir celui-ci, il ne suffit en effet que d'ajouter une quantité prédéfinie de gypse au clinker. En conséquence, l'équation de base énoncée plus haut est celle qu'il faut utiliser pour déterminer la quantité de dioxyde de carbone étant émis lors de la production de ce type de ciment.

Facteur d'émission lié à la production de clinker

Ce facteur d'émission est le produit de la fraction de chaux contenu dans le clinker multiplié par le ratio de la masse de CO₂ libéré par unité de chaux. Le GIEC propose ainsi deux équations différentes pour déterminer ce facteur d'émission*CO₂ Emissions from cement production, Emission factors, 2.2.1 Clinker emission factor, Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC) :

• Fraction de CaO × (44.01 g/mole CO₂ / 56.08 g/mole CaO)
• Fraction de CaO × 0,785

Dans cette dernière équation, la valeur 0,785 correspond au ratio de la masse moléculaire du dioxyde de carbone (CO₂) par rapport à la chaux (CaO) contenue dans le calcaire (CaCO₃). Il a été établi par le GIEC que la valeur correspondant à la fraction de chaux contenue dans le clinker équivalait à 64,6 %. Ainsi, en appliquant cette donnée à la deuxième équation posée, il est possible d'obtenir un facteur d'émission de 0,507 tonnes de CO₂ par tonne de clinker (0,646 × 0,785 = 0,507)*CO₂ Emissions from cement production, Emission factors, 2.2.1 Clinker emission factor, Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC).

Les Chiffres

De manière générale, la production de ciment est responsable d'à peu près 5% des émissions de gaz à effet de serre générés par l'activité humaine. Comme expliqué précédemment, la libération de CO₂ issu de la fabrication du ciment provient aussi bien de la combustion d'énergies fossiles utilisées lors de la production de clinker que du processus de production lui-même, lorsque le carbonate de calcium est converti en oxyde de calcium. Les émissions provenant des énergies fossiles utilisées représentent environ 40% de la quantité de CO₂ libéré lors de la production de ciment. Néanmoins, ce pourcentage peut varier sensiblement en fonction du type d'énergie fossile choisie, le charbon et le coke de pétrole libérant par exemple beaucoup plus de dioxyde de carbone que des combustibles tels que les pneus usagés, les cosses de café, les déchets plastiques, etc.

En 2001, le charbon représentait la principale source d'alimentation des fours de cimenteries avec un pourcentage d'utilisation s'élevant à 71% contre 12% pour le coke de pétrole, 9% pour les déchets combustibles liquides et solides et 4% pour le gaz d'origine naturelle*CO₂ Emissions Profile of the US Cement Industry, Energy Use. Aujourd'hui, avec la mise en place des nouveaux protocoles visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre, l'industrie du ciment s'est engagée à utiliser davantage de combustibles de substitution, et ce afin d'utiliser moins de charbon et de coke de pétrole, deux types d'énergie hautement polluantes. Néanmoins, selon le GIEC, il est relativement difficile de déterminer avec précision les émissions de CO₂ résultant de ces combustibles de substitution*CO₂ Emissions Profile of the US Cement Industry, Energy Use.

En outre, il faut savoir que le pourcentage de CO₂ libéré lors de la production de ciment varie également selon que le processus de fabrication fasse appel à de la poudre telle quelle (procédé à sec) ou à un mélange de poudre et d'eau. Bien que le procédé à sec entraîne une consommation d'électricité supérieure, il nécessite néanmoins une consommation d'énergie moindre lors de la production de clinker, ce qui implique également des émissions énergétiques moindres. De plus en plus de cimenteries utilisent désormais ce procédé de production à sec, réduisant ainsi de manière sensible la quantité de CO₂ émis dans l'atmosphère suite à la combustion d'énergies fossiles (6,3 MBtu/st pour le mélange d'eau et de poudre contre 5,5 MBtu/st pour le procédé à sec)*CO₂ Emissions Profile of the US Cement Industry, Energy Use.

De manière générale, la production d'1 tonne de ciment émet une quantité équivalente de CO₂ dans l'atmosphère. En somme, cela équivaut grosso modo à 1 kg de dioxyde de carbone libéré pour 1 kg de ciment produit. Néanmoins, ces valeurs ne peuvent pas être généralisées dans la mesure où elles peuvent varier selon le type de ciment produit, le procédé de fabrication, le type de combustible(s) choisi(s) et le pourcentage d'énergies de substitution utilisées. En conséquence, il est quelques fois très difficile d'obtenir un chiffre global correspondant à la quantité de CO₂ émis lors de la production de ciment et c'est pourquoi il faut alors considérer chaque cimenterie comme un cas particulier, en fonction des critères précédemment énoncés.