Une nouvelle façon de fabriquer de l'acier pourrait réduire de 5 % les émissions de CO2 d'un coup

Avec l'aimable autorisation de Boston Metal

Un disque grumeleux d'acier gris foncé recouvre un banc dans l'espace de laboratoire de Boston Metal, un essaimage du MIT situé à une demi-heure au nord de sa ville éponyme.

Il s'agit du premier lot d'alliage à haute résistance de la société, créé à l'aide d'une nouvelle approche du traitement des métaux. Au lieu du haut fourneau utilisé dans la fabrication de l'acier pendant des siècles, Boston Metal a développé quelque chose de plus proche d'une batterie. Plus précisément, c'est ce qu'on appelle une cellule électrolytique, qui utilise de l'électricité plutôt que du carbone pour traiter le minerai de fer brut.

Si la technologie fonctionne à une échelle aussi bon marché que l'espèrent les fondateurs, elle pourrait offrir une voie claire pour réduire les émissions de gaz à effet de serre de l'un des secteurs les plus difficiles à nettoyer de l'économie mondiale et la plus grande source industrielle de pollution climatique.

Après avoir travaillé sur l'idée pendant les six dernières années, l'entreprise de neuf personnes passe à sa prochaine phase. Si elle clôt un cycle de financement en attente, la startup prévoit de construire une grande installation de démonstration et de développer une cellule à l'échelle industrielle pour la production d'acier.

Couper le carbone

Dans l'approche principale de la fabrication de l'acier aujourd'hui, l'oxyde de fer est placé dans un haut fourneau avec du coke, une substance dure et poreuse dérivée du charbon. À des températures élevées, le coke se transforme en monoxyde de carbone, qui extrait l'oxygène du fer, produisant un métal intermédiaire appelé fonte brute, ainsi que du dioxyde de carbone qui se dégage dans l'atmosphère.

Cette étape et d'autres dans le processus pompent environ 1,7 gigatonne de dioxyde de carbone dans l'atmosphère chaque année, ce qui représente environ 5 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone, selon un article récent publié dans La science (voir Nous ne savons toujours pas comment éliminer plus d'un quart des émissions énergétiques). Et c'est avant de prendre en compte les combustibles nécessaires pour allumer les fours.

Les voitures, les bâtiments et les ponts dépendent tous assez bien de l'acier, explique Steven Davis, auteur principal de cette étude et scientifique du système terrestre à l'Université de Californie à Irvine. Donc, à moins que nous ne changions cela - et rien n'indique que nous le sommes - nous devons trouver un moyen de décarboner le processus.

Mais l'élimination complète des émissions nécessitera soit une technologie capable de capturer le dioxyde de carbone avant qu'il ne quitte l'aciérie, ce qui est à la fois coûteux et techniquement lourd, soit l'utilisation de matériaux alternatifs pour éliminer l'oxygène de l'oxyde de fer.

Coup de lune

Donald Sadoway, chimiste au MIT, a commencé par inadvertance à travailler sur une solution au milieu des années 2000.

La NASA avait offert un prix d'un quart de million de dollars à la première équipe de recherche capable de comprendre comment extraire l'oxygène de la surface de la lune, une condition préalable à l'établissement de bases lunaires. Sadoway a proposé d'utiliser une cellule électrolytique - qui produit un courant électrique pour décomposer les composés - pour extraire l'oxygène des roches lunaires. Le sous-produit était du métal en fusion, une réalisation qui l'a amené à explorer la possibilité d'utiliser une approche similaire pour traiter les métaux sur Terre.

Mais produire quelque chose comme l'acier nécessiterait une anode fabriquée à partir de matériaux bon marché qui ne se corroderaient pas à des températures élevées ou ne réagiraient pas facilement avec l'oxyde de fer. En 2013, Sadoway et le chercheur en métallurgie du MIT Antoine Allanore ont publié un papier dans La nature concluant que les anodes fabriquées à partir d'alliages à base de chrome pourraient cocher toutes ces cases.

L'année précédente, Sadoway, Allanore et un autre partenaire avait cofondé une startup connue sous le nom de Boston Electrometallurgical, qui allait devenir Boston Metal.

La société a levé 13 millions de dollars à ce jour, principalement auprès de l'investisseur brésilien Ingo Wender, du département américain de l'Énergie et de la National Science Foundation. L'entreprise a refusé de divulguer la source d'un investissement en attente jusqu'à ce que cette transaction soit finalisée.

Une industrie hésitante

L'une de ses cellules électrolytiques se trouve dans l'arrière-salle de Boston Metal. C'est un cylindre métallique trapu, avec un tube en forme de cheminée émergeant du haut et une ouverture ovulaire à l'avant. Il est conçu pour produire des ferroalliages, un matériau à forte marge utilisé pour produire certaines nuances d'acier et le marché cible initial de la startup.

La cheminée est en fait une anode. Une fine couche de métal le long du fond forme la cathode. Ces électrodes positives et négatives agissent ensemble comme une sorte de pompe, poussant les électrons à travers l'électrolyte dans la chambre, un mélange de minéraux métalliques et d'autres oxydes.

Les ingrédients précis de cet électrolyte sont un élément essentiel de la technologie de base de l'entreprise. Dans le cas de l'acier, les autres oxydes agissent comme un solvant à haute température, dissolvant l'oxyde de fer sans se décomposer.

Comment la cellule électrolytique de Boston Metal traite le métal à l'aide d'électricité.

Au fur et à mesure que le courant électrique chauffe cette soupe, l'oxygène libéré du fer bouillonne vers le haut et le métal résultant s'accumule au fond. Une fois que les opérateurs ont tapé ou percé une doublure à travers le trou à l'avant, le métal en fusion se déverse dans une ligne orange flamboyante.

L'un des avantages de l'utilisation du carbone dans la fabrication de l'acier est qu'il confère de la résistance au produit final, du moins lorsqu'il est dans la bonne proportion. Adam Rauwerdink, directeur de la stratégie de l'entreprise, a déclaré dans un e-mail que pour produire des qualités spécifiques d'acier, du carbone et d'autres ingrédients peuvent simplement être ajoutés au fur et à mesure que le métal refroidit.

Mais certains se demandent à quel point cela sera convaincant pour l'industrie sidérurgique notoirement conservatrice, qui après tout produit un matériau qui doit supporter des gratte-ciel.

Le carbone est nécessaire à un certain niveau pour les propriétés mécaniques de l'acier lui-même, a déclaré Nathan Lewis, chimiste au California Institute of Technology, dans un e-mail. Et naturellement, l'industrie hésite à changer ce processus.

Prochaines étapes

L'année dernière, Tadeu Carneiro a rejoint Boston Metal en tant que directeur général. Il dirigeait auparavant la société basée au Brésil CBMM , le plus grand producteur de niobium, un métal utilisé dans les alliages supraconducteurs.

Carneiro, qui porte une paire de lunettes sombres et lourdes au-dessus d'un ensemble de sourcils sombres et épais, griffonne des équations chimiques sur un tableau blanc tout en décrivant la stratégie commerciale de l'entreprise avec un accent brésilien. Le plan triennal consiste à construire une installation de démonstration pour produire des ferroalliages, dit-il. Pendant ce temps, la société commencera également à concevoir et à fabriquer une cellule à grande échelle pour produire de l'acier, un jalon qu'il espère atteindre d'ici sept ans.

Si Boston Metal atteint ces objectifs, il pourrait poursuivre un certain nombre de modèles commerciaux, notamment l'octroi de licences pour la technologie, le partenariat avec des fabricants de métaux, la vente de cellules ou la production directe de métaux.

Mais comme toujours en science, jusqu'à ce que le produit soit réellement construit et testé à l'échelle commerciale, il est trop tôt pour dire dans quelle mesure ou à un prix abordable il fonctionnera vraiment. De plus, le simple fait de produire une version verte d'un produit pour à peu près le même prix ne suffira pas à transformer l'industrie, étant donné les milliards de dollars de coûts irrécupérables dans les aciéries qui peuvent fonctionner pendant des décennies - et le fait qu'une grande partie de cette industrie est basée dans des pays relativement pauvres ou en difficulté financière.

Une barre de métal produite par le procédé d'électrolyse d'oxyde fondu, ou MOE, de l'entreprise. Avec l'aimable autorisation de Boston Metal

Même si la technologie parfaite arrivait sur la scène aujourd'hui, il faudrait probablement plusieurs décennies avant que nous puissions effectivement passer à celle-ci, dit Davis.

Carneiro reconnaît que l'entreprise doit encore surmonter un certain nombre de défis techniques restants, notamment l'amélioration de l'efficacité faradique, ce qui signifie augmenter le pourcentage d'électrons qui produisent réellement du métal ; améliorer l'efficacité thermique ou réduire les kilowattheures d'électricité nécessaires pour produire un volume donné de métal ; et la mise à l'échelle d'une anode en alliage de chrome qui n'a été démontrée qu'au niveau du laboratoire à ce jour.

Il est cependant convaincu que Boston Metal résoudra ces défis, prouvera que la technologie est moins chère et convaincra finalement l'industrie d'adopter son approche.

Transformer le secteur de l'acier, qui s'élève à près de 1 000 milliards de dollars, est encore un long chemin à parcourir. Mais si la startup peut démontrer que son processus fonctionne à l'échelle industrielle, cela pourrait au moins fournir un petit espoir pour résoudre l'une des parties les plus difficiles du puzzle climatique.

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