Les scories de déchets des industries métallurgiques contiennent souvent des matériaux de valeur, mais en très petites concentrations. Cela signifie que de vastes étendues de terres précieuses sont utilisées pour accueillir des réservoirs remplis de déchets parfois toxiques. Nous voulons désormais utiliser l’hydrogène pour transformer ce déchet en ressource.
Le monde a désespérément besoin de métaux. La réalisation de la soi-disant transition verte dépend entièrement de l’obtention à la fois des métaux les plus rares et de ceux pour lesquels nous disposons d’un approvisionnement abondant. Cependant, la récupération des métaux à partir des minéraux que nous exploitons génère des sous-produits qui finissent trop souvent en déchets. Ces déchets peuvent également avoir des impacts locaux et globaux importants sur la nature et l’environnement.
Certaines des recherches que nous menons au SINTEF consistent à découvrir comment ces déchets peuvent être utilisés à la place pour nous fournir plus de métaux. Nous visons maintenant à récupérer le fer, le cobalt, le scandium et de nombreux autres métaux critiques à partir de ces déchets.
Transformer un problème en opportunité
Les problèmes liés à l’élimination des déchets métallurgiques sont évidents. Mais ils peuvent aussi nous offrir des opportunités. Et tout comme la demande de métaux et d’autres matières premières critiques augmente, de nouvelles initiatives commerciales verront également le jour.
SINTEF dirige actuellement un projet majeur appelé HARARE. Il s’agit d’un partenariat avec neuf autres organisations européennes qui visent à utiliser l’hydrogène pour récupérer respectivement le cuivre et l’aluminium des scories de cuivre et des résidus de bauxite (appelées boues rouges).
HARARE est l’acronyme de « Hydrogen As the Reducing Agent in the REcovery of metals and minerals from metallurgical waste ».
Trois mégatendances
Trois mégatendances entraînent actuellement des augmentations futures inévitables de la demande de métaux. Il s’agit de la transition vers l’utilisation de sources d’énergie renouvelables, de l’utilisation accrue des voitures électriques et du développement des villes dites intelligentes. Le cuivre et l’aluminium représentent deux métaux qui continueront d’être importants dans les années à venir.
L’aluminium pèse relativement peu et résiste à la corrosion, ce qui en fait un matériau de construction important, entre autres. Le cuivre est un conducteur de chaleur et d’électricité très efficace et il est facile à recycler. Soixante-cinq pour cent de tout le cuivre produit depuis 1900 est encore utilisé aujourd’hui. Ces propriétés signifient que la demande d’aluminium et de cuivre continuera d’augmenter.
Le défi auquel nous sommes confrontés est que les procédés standard de fusion de l’aluminium génèrent environ deux fois plus de déchets de boue rouge que l’aluminium métallique. La boue rouge est très basique et est généralement déversée dans des réservoirs qui occupent de vastes étendues de terres. En plus de créer des problèmes majeurs d’utilisation des terres, les boues rouges représentent également une source potentielle de pollution et un risque pour la sécurité des zones à proximité des réservoirs.
De même, pour chaque kilo de cuivre que nous produisons, il nous reste 2,2 tonnes de laitier. Dans l’UE, pas moins de quatre mégatonnes de scories de cuivre sont produites chaque année. À l’échelle mondiale, l’industrie de l’aluminium produit chaque année 160 tonnes de déchets de scories, soit environ 20 kilos par habitant. Si l’on s’attend maintenant à ce que la production de ces métaux augmente, le problème des déchets ne fera qu’empirer.
Une demande multipliée par six
En théorie, les scories métallurgiques contenant des résidus minéraux et métalliques peuvent représenter une ressource. Cependant, l’un des défis est que ces résidus ne contiennent que de faibles concentrations des métaux et minéraux d’intérêt. Par exemple, il est possible de récupérer du cuivre à partir de scories de cuivre qui contiennent plus d’un pour cent du métal. Les scories qui contiennent moins d’un pour cent de cuivre seront normalement considérées comme des déchets et mises en décharge.
Le défi auquel nous sommes confrontés est que les procédés standard de fusion de l’aluminium génèrent environ deux fois plus de déchets de boue rouge que l’aluminium métallique.
D’autres métaux et minéraux rares et précieux sont présents dans des concentrations encore plus faibles. La concentration, la nature du mélange minéral et la façon dont ceux-ci se produisent dans le laitier détermineront la difficulté de récupérer les métaux purs. Cependant, il devient de plus en plus important d’identifier des procédés pour de tels procédés qui puissent être industrialisés.
L’Agence internationale de l’énergie (AIE) estime que la demande de matériaux critiques sera multipliée par six d’ici 2040 si nous voulons atteindre l’objectif de zéro émission d’ici 2050. L’UE a pour objectif explicite d’être autosuffisante en matières premières critiques. , mais à l’heure actuelle, nous sommes loin d’avoir atteint cet objectif.
S’il peut être rentable de récupérer des métaux à partir de scories de fusion, il est également nécessaire de réduire les émissions de CO2 générées par les procédés métallurgiques. La production de métaux est universellement gourmande en énergie, il devrait donc être possible de réduire ce que nous appelons les «émissions indirectes» en sélectionnant de meilleures sources d’énergie et en optimisant le processus de fusion. En plus de tout cela, la production de métaux générera presque toujours des émissions de CO2 simplement en raison du processus de production. Celles-ci sont appelées «émissions directes», qui ne peuvent être réduites qu’en captant le CO2 produit ou en ne générant pas de CO2 en premier lieu.
D’où vient tout ce CO2 ?
Pour savoir s’il est possible de supprimer entièrement les émissions directes de CO2, il faut d’abord examiner comment le gaz est généré. La plupart des minerais métalliques existent sous forme d’oxydes dans lesquels chaque atome de métal est lié à un ou plusieurs atomes d’oxygène. Dans de telles relations, les liens entre les atomes sont très forts et nous devons utiliser beaucoup d’énergie pour briser les liens et libérer le métal. Il faut aussi tenter les atomes d’oxygène pour qu’ils trouvent des affinités avec des alternatives aux atomes métalliques qu’ils trouvent si attractifs.
Les atomes d’oxygène n’aiment pas seulement les atomes métalliques. Ils trouvent également les atomes de carbone très attractifs. C’est pour cette raison que lors du processus de fusion, nous mélangeons les atomes de carbone présents dans le charbon ou les copeaux de bois avec des oxydes métalliques dans de grands fours. Nous apportons de grandes quantités d’énergie, souvent sous forme d’électricité, et produisons les métaux que nous recherchons, ainsi que du CO2. On dit que le carbone a réduit le métal et que le carbone est donc un « réducteur ».
Qu’en est-il de l’eau au lieu du CO2 ?
Nous savons tous que les atomes d’oxygène se mélangent facilement avec l’hydrogène. Après tout, il faut un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène pour faire une molécule d’eau. Serait-il possible de produire un métal pur et de libérer de l’eau au lieu de CO2 ? Cela semble trop beau pour être vrai et pour certains métaux, cette approche ne fonctionne tout simplement pas.
L’hydrogène n’est pas toujours un agent réducteur suffisamment efficace, bien que des calculs théoriques et des expériences en laboratoire indiquent qu’il devrait être possible pour plusieurs oxydes métalliques d’obtenir une réduction complète ou partielle en utilisant l’hydrogène dans l’eau.
Déchets, utilisation des terres et gaz à effet de serre
Dans le cadre du projet HARARE, notre objectif est de traiter plusieurs problèmes à la fois. Le monde a besoin de plus de métaux. Mais cela ne fera que générer plus de déchets et une utilisation accrue des terres, à la fois sous la forme d’exploitation minière et d’excavation de sites d’enfouissement. Sans parler de toutes les émissions de CO2. Nous voulons voir des méthodes spécifiques développées pour la récupération de l’aluminium et du cuivre résiduels, ainsi que du fer, du cobalt, du scandium et de nombreux autres minéraux critiques des deux principaux flux de déchets de scories de cuivre et de boues rouges.
L’utilisation de l’hydrogène nous permettra de rendre le secteur de la métallurgie à la fois circulaire et décarboné.