Purifier le « métal miracle » : comment décarboniser l'aluminium

Sans progrès en matière de recyclage et de décarbonisation, les émissions du secteur de l'aluminium pourraient atteindre près de 2 milliards de tonnes métriques d'ici 2050.

Par Ramon Arratia & Nancy Gillis

3 février 2023

Composants en aluminium. Image via Shutterstock/Rocharibeiro

[Cet article fait partie d'une série rédigée par des membres de la First Movers Coalition. Vous pouvez lire plus d'histoires sur l'initiative ici.]

L'aluminium a été décrit comme un "métal miracle". Bien qu'il s'agisse du métal le plus abondant dans la croûte terrestre, les complexités liées à son raffinage ont rendu l'aluminium plus précieux que l'argent ou l'or au cours du 19e siècle. Napoléon III l'appréciait tellement qu'il servait à ses hôtes les plus honorés leurs plats sur des assiettes en aluminium. Il reste aujourd'hui un matériau de grande valeur, prisé pour sa polyvalence légère, sa résistance de qualité militaire, sa résistance à la corrosion et parce qu'il est recyclable à l'infini.

Alors, qu'est-ce qu'il ne faut pas aimer ? Eh bien, la série de processus énergivores qui transforment le minerai de bauxite brut en un métal pur émettent en moyenne 16 tonnes métriques de CO2 pour chaque tonne métrique d'aluminium primaire produite. Le secteur dans son ensemble génère environ 1,1 milliard de tonnes métriques de CO2 chaque année, ce qui représente 2 % des émissions mondiales d'origine humaine. Plus de 60 % de ces émissions proviennent de la production de l'électricité consommée pendant le processus de fusion.

De plus, la demande pour le métal miracle - tirée par des industries telles que le transport, la construction, l'emballage et le secteur électrique - devrait augmenter de près de 40 % d'ici 2030. Les deux tiers de cette croissance devraient provenir de la Chine et de l'Asie, une préoccupation. étant donné que le processus de fusion de la Chine dépend fortement des centrales électriques captives au charbon. Sans progrès en matière de recyclage et de décarbonisation, les émissions du secteur pourraient atteindre près de 2 milliards de tonnes métriques d'ici 2050.

Une poignée de nouvelles technologies ont le potentiel de nettoyer l'aluminium, mais seules les plus ambitieuses atteignent l'objectif difficile de la First Movers Coalition (FMC) du Forum économique mondial, une initiative mondiale visant à exploiter le pouvoir d'achat des entreprises pour décarboner les plus lourds de la planète. industries émettrices. Les membres du FMC se sont engagés à atteindre un objectif selon lequel au moins 10 % de l'aluminium primaire qu'ils achètent chaque année d'ici 2030 seront produits via des procédés à émissions quasi nulles. La définition de "presque zéro" est la partie la plus difficile : émettre moins de trois tonnes métriques de CO2 par tonne métrique d'aluminium primaire. Cela représente une énorme réduction des émissions actuelles de 85 % ou plus.

Pour comprendre comment parvenir à une décarbonisation aussi profonde, nous avons besoin d'un aperçu rapide du processus de fabrication de l'aluminium. La bauxite est la matière première - elle est extraite du sol et raffinée en oxyde d'aluminium, ou "alumine", par un processus en plusieurs phases qui consiste à la chauffer à environ 1 000 degrés Celsius. Pour obtenir cette chaleur, de nombreuses raffineries brûlent des combustibles fossiles sur place, qui émettent de grandes quantités de CO2 au cours du processus. Le deuxième processus, connu sous le nom de fusion, transforme l'alumine en métal d'aluminium pur par électrolyse, qui utilise beaucoup d'électricité et des anodes en carbone qui émettent également de grandes quantités de CO2.

La bonne nouvelle est que les formes existantes d'énergie renouvelable, telles que l'hydroélectricité ou le solaire, nous permettront d'atteindre environ les deux tiers du chemin vers l'aluminium à zéro émission. Nous pouvons utiliser de l'énergie propre pour les nouvelles chaudières et calcinateurs électrifiés impliqués dans le raffinage du minerai de bauxite en alumine - et aussi pour le processus de fusion à forte intensité d'électricité. Mais cela peut coûter cher à court terme. Cela signifie déplacer les usines vers des endroits ayant accès à de l'énergie renouvelable et moderniser les raffineries pour installer le nouvel équipement.

Certaines nouvelles technologies émergentes - qui peuvent être mises en œuvre dans les usines d'aluminium existantes - peuvent aider à réduire l'écart vers l'aluminium à zéro émission. Le processus de fusion peut être entièrement décarboné en remplaçant ces anodes en carbone par des anodes inertes qui émettent de l'oxygène au lieu de CO2. Un procédé appelé "recompression mécanique de vapeur" permet de recycler l'énergie thermique nécessaire au raffinage plutôt que de la restituer. Et pour les émissions restantes, il existe des technologies telles que la capture, l'utilisation et le stockage du carbone (CCUS) pour intercepter les émissions des processus de raffinage et de fusion. Lorsque quelques-unes de ces technologies révolutionnaires sont utilisées conjointement, elles peuvent faire passer l'ensemble du processus de production d'aluminium sous le seuil de 3 tonnes métriques de CO2 par tonne métrique d'aluminium primaire.

Contrairement à la plupart des autres secteurs de la FMC, le recyclage peut jouer un rôle important dans le cheminement vers la décarbonisation du secteur de l'aluminium, d'autant plus que le métal est considéré comme recyclable à l'infini. Le recyclage consomme environ 5% de l'énergie nécessaire à la fabrication d'aluminium neuf, il est donc logique tant sur le plan commercial qu'environnemental. La refusion de l'aluminium est aujourd'hui répandue à grande échelle avec plus de 30 millions de tonnes métriques d'aluminium recyclé qui retournent chaque année dans de nouveaux produits. Cela peut également contribuer à une transition juste, car la collecte, le tri et le recyclage offrent la possibilité de créer de nouveaux emplois tout en réduisant l'extraction des ressources naturelles nécessaires pour soutenir la production d'aluminium primaire.

Par conséquent, le FMC a fixé un objectif supplémentaire pour ses membres afin de s'assurer qu'au moins 50 % de l'aluminium qu'ils utilisent annuellement d'ici 2030 soit recyclé. Cependant, le recyclage à lui seul ne suffira pas à apaiser la soif mondiale croissante de métal - en fait, il ne fournira que la moitié de la demande prévue d'ici 2050, selon la stratégie de transition alignée sur 1,5 degrés C publiée par le partenariat Mission Possible. Par conséquent, parvenir à une production d'aluminium primaire aussi proche que possible de zéro émission reste une priorité absolue.

Bien que les technologies permettant de décarboniser la production d'aluminium puissent exister sous forme de prototypes, comme toutes les nouvelles technologies qui n'ont pas encore atteint leur échelle, elles sont coûteuses. Leur commercialisation est difficile — et ce n'est pas seulement le coût; la chaîne de valeur de l'aluminium est compliquée et étendue.

Prenez une canette de bière, par exemple, qui est généralement composée à plus de 50 % d'aluminium recyclé, mais qui nécessite toujours de l'aluminium primaire. Vous extrayez d'abord la bauxite, puis vous la raffinez en alumine. Il va souvent ailleurs pour être fondu en aluminium pur. Le métal est ensuite transformé en disques ou en bobines, acheté par des entreprises qui les poinçonnent dans des canettes, vendu à des entreprises de boissons et des embouteilleurs, distribué aux détaillants et n'atteint qu'ensuite le consommateur. Cette longue chaîne d'approvisionnement est aggravée par la taille des acheteurs. Alors que l'acier et le béton ont de gros "acheteurs principaux", tels que les constructeurs automobiles ou les agences d'approvisionnement de l'État, l'aluminium est acheté en petites quantités par de nombreux acteurs. Et tous les acteurs impliqués - de la société minière au détaillant de boissons - doivent être alignés pour partager l'objectif et le coût de la décarbonation.

Ball Corporation, un important fabricant d'emballages en aluminium et membre de la FMC, a fait un premier pas vers l'alignement avec ses partenaires de la chaîne de valeur. L'entreprise s'est associée à des fournisseurs d'aluminium et à d'autres membres de FMC, Novelis et Rio Tinto, pour créer la première canette de boisson à faible teneur en carbone spécialement marquée au Canada pour la bière Corona. La canette est fabriquée en partie à partir d'aluminium recyclé ainsi que d'aluminium primaire à émission quasi nulle raffiné avec de l'hydroélectricité et fondu à l'aide d'une technologie d'anode inerte sans gaz à effet de serre appelée Elysis. Cette percée a été rendue possible grâce à une collaboration sans précédent entre deux géants concurrents de l'industrie de l'aluminium - Alcoa et Rio Tinto - ainsi qu'à 13 millions de dollars (CAD) d'investissement et de soutien technique d'Apple, plus un investissement supplémentaire de 80 millions de dollars (CAD) chacun du Canadien et les gouvernements du Québec. Elysis en est encore au stade du prototype, mais l'équipe vise à commercialiser la technologie d'ici 2024.

L'alignement de la chaîne de valeur, par le biais de coalitions telles que le FMC, est essentiel aux efforts de décarbonisation. Sans une chaîne de valeur alignée, les signaux de la demande aux producteurs peuvent ne pas conduire à un changement. Ces types de coalitions conduisent également à de meilleures conversations avec les gouvernements sur un éventail de sujets, du resserrement des politiques de recyclage au co-investissement dans la R&D.

Les gouvernements ont un rôle clé à jouer pour encourager la décarbonisation du raffinage et de la fusion de l'aluminium primaire. Le Moyen-Orient a la possibilité d'y contribuer, en utilisant son abondant potentiel d'énergie solaire. La Chine montre un mouvement dans la bonne direction, fermant certaines opérations de raffinage au charbon et ouvrant de nouvelles usines dans des régions riches en hydroélectricité. Mais les gouvernements peuvent également avoir besoin de fournir un soutien financier direct au secteur. Les nouvelles technologies nécessaires pour décarboniser l'aluminium - y compris l'énergie renouvelable supplémentaire, le CCUS et la refonte du processus de fusion autour des anodes inertes - coûteront environ 1 billion de dollars jusqu'en 2050, il est donc probable que les États devront intervenir avec des incitations, des investissements et des marchés. mesures basées. La production de matériaux comme le lithium ou le cuivre, indispensables à la transition bas-carbone, bénéficie déjà de subventions gouvernementales. Il en va de même pour l'aluminium, compte tenu de son rôle dans la décarbonisation d'autres secteurs tels que les transports et la technologie des batteries.

En Europe, le mécanisme d'ajustement carbone aux frontières (CBAM) proposé par l'Union européenne est un signal d'alarme pour les fournisseurs d'aluminium qui cherchent à exporter vers le marché unique. D'ici 2030, la CBAM pourrait prélever une taxe de 100 euros par tonne métrique de CO2 contenue dans les produits et matériaux importés, imitant le coût du système européen d'échange de quotas d'émission (ETS) pour les producteurs locaux. Pour une tonne métrique d'aluminium avec une empreinte CO2 de 16 tonnes métriques, cela pourrait ajouter 60% au coût du métal. Bien qu'un tel mécanisme puisse aider l'aluminium décarboné à être compétitif de manière continue une fois commercialisé, le modèle d'investissement direct du gouvernement dans les technologies de pointe peut être nécessaire pour attirer le financement des entreprises et réduire les risques de la voie de la décarbonation.

Le secteur est engagé dans une course contre la montre pour augmenter sa production naissante à émissions quasi nulles afin de fournir l'approvisionnement requis. Les entreprises doivent adopter une position de leadership claire, pour soutenir le déploiement des technologies de décarbonation profonde qui sont nécessaires pour aligner le secteur sur la voie du zéro émission nette d'ici 2050. Il y aura des coûts supplémentaires, mais des coalitions telles que la FMC aideront à créer le la transparence et la collaboration nécessaires pour faire face à ces coûts. La technologie est là pour y arriver – et cela vaut la peine de lever sinon un verre, alors certainement une canette de bière à faible teneur en carbone.

Cet article a été co-écrit par Jonathan Walter et Andrew Alcorta et Henry Mumford du BCG.

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