Le réacteur rotatif du PROMES-CNRS : une alternative au charbon

La production d’acier est responsable d’environ 7 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, dont près de 70 % proviennent des hauts fourneaux alimentés au charbon. Pour briser cette dépendance, le Centre National de la Recherche Scientifique (PROMES-CNRS) a conçu un réacteur solaire à four rotatif. Ce dispositif consiste en une cavité céramique conique scellée, placée au point focal d’un concentrateur parabolique capable de délivrer un flux solaire de crête allant jusqu’à 16 MW/m².

Le fonctionnement est continu : des particules de minerai de fer sont injectées via une vis sans fin, traversent une zone chaude sous un flux d’hydrogène gazeux, puis tombent dans un réservoir de collecte sous forme de fer réduit. Contrairement aux anciens systèmes utilisant du méthane ou de la biomasse, l’usage exclusif de l’hydrogène évite les dépôts de carbone sur la fenêtre du réacteur, garantissant ainsi la transparence et l’efficacité du flux solaire.

L’objectif est de remplacer la combustion du charbon, et son utilisation comme réducteur, par un processus sans aucun carbone. C’est pourquoi nous utilisons l’hydrogène pour la réduction de l’oxyde de fer au lieu du charbon, afin de réduire les émissions de carbone — nous ne produisons donc que de l’eau, et la source d’énergie dans notre cas est l’énergie solaire concentrée.
Stéphane Abanades, chercheur principal au PROMES-CNRS

L’avantage technique majeur réside dans l’efficacité thermique. Si l’industrie s’est largement tournée vers l’électricité renouvelable pour chauffer les fours à hydrogène, le passage par l’électricité induit des pertes de conversion. Le système solaire thermique fournit directement la chaleur nécessaire à la réaction, à des températures dépassant les 800 à 1000 °C.

L’hydrogène comme levier de décarbonation industrielle

Le remplacement des combustibles fossiles par l’hydrogène dans la chaleur de procédé est une nécessité structurelle. Les émissions industrielles représentent une part importante du CO2 mondial, la chaleur comptant pour une fraction de ces émissions. Selon une analyse publiée par Nature, la demande en hydrogène pour remplacer totalement les combustibles fossiles dans la sidérurgie et la fabrication de ciment est d’environ 3 millions de tonnes métriques (MMT) par an.

Toutefois, la disponibilité de l’hydrogène reste un goulot d’étranglement. La capacité de production mondiale était d’environ 10 MMT par an en 2022. Bien que la stratégie nationale pour l’hydrogène propre du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) prévoie une capacité de 40 à 50 MMT par an d’ici 2050, ce volume pourrait s’avérer insuffisant pour couvrir l’ensemble des besoins thermiques des industries lourdes.

L’équation économique reste également complexe. Pour être compétitif face au gaz naturel sans incitation climatique, le coût livré de l’hydrogène devrait chuter à 0,50 $/kgH2. Avec une incitation basée sur le coût social du carbone (SCC) actuel de 50 $/tCO2-eq, un prix de 0,95 $/kgH2 deviendrait rentable.

Stratégies mondiales : du Brésil à l’Australie

La transition vers l’acier vert ne se joue pas seulement dans les laboratoires, mais dans la géographie des ressources. Le Rhodium Group souligne que certains pays possèdent des avantages comparatifs majeurs pour le déploiement du procédé DRI (Direct Reduced Iron) à l’hydrogène.

• Brésil : Exceptionnellement riche en minerai de qualité DRI (notamment dans le « quadrangle du fer » avec la mine de Carajás dépassant 66 % de fer) et doté d’énergies renouvelables bon marché. Cependant, la production domestique de DRI est quasi inexistante, le pays exportant majoritairement ses granulés.
• Australie : Leader mondial des exportations de minerai, elle pivote vers le vert avec des projets comme Zesty et NeoSmelt, visant à produire du DRI à partir de minerais de qualité inférieure provenant de la région de Pilbara.

L’industrie minière s’adapte également en amont. BHP investit 171 millions de dollars dans des partenariats pour réduire l’intensité des émissions et améliorer la qualité du minerai. Parallèlement, Rio Tinto collabore avec BHP pour tester des camions à batterie et a créé Évolys, une joint-venture produisant du biocarbonne à partir de biomasse pour remplacer le charbon dans la sidérurgie.

Le déploiement commercial de la vapeur solaire

L’application du solaire thermique ne se limite pas à la réduction du fer. GlassPoint déploie actuellement un système de vapeur solaire pour Searles Valley Minerals en Californie. Ce projet utilise des collecteurs solaires paraboliques légers installés sous des serres en polymère, protégeant l’équipement du vent et de la poussière, ce qui réduit les coûts de maintenance et de structure.

C’est une réduction des coûts des deux tiers. Cela provient de la quantité de matériaux et de supports structurels nécessaires ainsi que de frais d’exploitation et de maintenance beaucoup plus bas.
Randy Palombi, Chief Commercial Officer, Americas chez GlassPoint

Ce déploiement marque une diversification pour GlassPoint, qui ciblait initialement la récupération assistée du pétrole (EOR) avant de s’étendre aux industries minières nécessitant une chaleur constante, jour et nuit.

Perspectives : l’équilibre entre thermodynamique et coût

La viabilité à long terme de la sidérurgie solaire et hydrogène dépendra de la capacité à monter en échelle les réacteurs. Les recherches du PROMES-CNRS ont montré que l’utilisation d’une cavité céramique avec un diamètre réduit permet d’atteindre des températures supérieures à 1000 °C, accélérant la conversion du minerai.

Cependant, le défi reste l’infrastructure. Le déploiement massif de l’H2DRI (Direct Reduction with Hydrogen) nécessite des investissements massifs en électrolyseurs et en transport d’hydrogène. L’avenir se jouera sur la capacité des pays riches en ressources, comme le Brésil et l’Australie, à onshorer la production de fer propre plutôt que d’exporter la matière brute, capturant ainsi une plus grande part de la chaîne de valeur décarbonée.

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