Le pari du stockage de carbone dans des granulats de béton recyclés

Le pari du stockage de carbone dans des granulats de béton recyclés

Lafarge Holcim participe depuis 2017 au projet FastCarb de stockage de CO2 dans du granulat de béton concassé. L’une des expérimentations industrielles a commencé dans la cimenterie de Val d’Azergues (69).



Légende : La cimenterie LafargeHolcim de Val d’Azergues (69) accueille l’un des trois démonstrateurs du projet FastCarb de recarbonatation des granulats de démolition avec du CO2 des fumées de four.

 

Dans le débat sur l’empreinte carbone des activités de construction, la filière ciment et béton est prise en tenaille : elle doit à la fois réduire les émissions de gaz carbonique lors de la production de ciment, augmenter les performances des ciments et bétons pour réduire les volumes consommés et améliorer la recyclabilité des matériaux.

 

Le groupe Lafarge Holcim, l’un des leaders mondiaux de la production de matériaux de construction – présent dans 80 pays sur 2 300 sites, employant 75 000 personnes et produisant un CA de quelque 27,5 Mds€ – est directement confronté à ces questions.

 

Edelio Bermejo, directeur de la recherche et du développement du groupe Lafarge Holcim, présente les défis dans ces termes : « D’ici 2050, 60 % des infrastructures mondiales sont à construire. La croissance démographique de 7,5 Mds à 9,5 Mds d’humains conduira à une urbanisation et à la production de logements plus décents. D’ores et déjà, chaque mois se construit de part le monde l’équivalent de la ville de New York. »

 

L’entreprise investit annuellement 100 M€ en recherche et développement « et 55 % des projets sont orientés vers des solutions bas carbone dès cette année », contre 25 % précédemment. L’ensemble de la chaîne sera examinée : clinker, ciment, bétons, construction et carbonatation.

 

 

Edelio Bermejo, directeur de la R&D du groupe LafargeHolcim. « Les leviers pour réduire l’impact CO2 portent sur le clinker, le ciment, le béton, la construction et la carbonatation. »

 

Faire des granulats recyclés un puits de carbone

 

Le sujet de la carbonatation constitue un carrefour stratégique pour tous les acteurs de la filière ciment et béton. Un projet de R&D a été lancé en 2017 par l’IREX, Institut pour la recherche appliquée et l’expérimentation en génie civil : FastCarb. 23 partenaires – dont Cemex, Ciments Calcia, Weber et Lafarge Holcim… – se sont regroupés autour d’une recherche sur la carbonatation du béton.

 

Leurs objectifs : la réduction de l’empreinte carbone des matériaux et la mise sur pied d’une économie circulaire fondée sur l’exploitation des granulats recyclés. D’une durée de cinq ans (2017-2021), ce projet est doté d’un budget de 3 M€, dont 2,2 M€ par les partenaires industriels et 0,8 M€ par le ministère de la Transition écologique et l’Atilh (Association technique de l’industrie des liants hydrauliques).

 

L’idée de départ de FastCarb se fonde sur une observation connue des bétonniers : la production de ciment est émettrice de CO2, puis, au cours de leur vie, les bétons – qu’ils soient construits ou à l’état de déchets de construction – connaissent un phénomène naturel de carbonatation du ciment qu’ils contiennent. En clair, très lentement, ils absorbent jusqu’à 40 % de l’équivalent carbone émis lors de leur production en four de cimenterie.

 

 

Le sol vibrant et en pente soumet les granulats de béton de démolition à un temps de contact d’environ une heure.

 

Trois techniques testées pour piéger le CO2

 

FastCarb vise à optimiser cette phase de carbonatation en transformant des granulats de béton recyclés (du matériau de déconstruction concassé) en puits de carbone. Concrètement, il s’agit de réaliser, dans un délai d’environ 1 heure, le phénomène physico-chimique naturel observé durant les dizaines d’années du cycle de vie d’un bâtiment et la mise en décharge des matériaux.

 

Les bénéfices seraient multiples : réduction de l’impact carbone des fours à ciment par captage d’une partie du CO2 des fumées, recyclage des matériaux… L’impact carbone des constructions en béton serait fortement diminué. Face aux enjeux et à la concurrence des autres filières qui se revendiquent plus durables (on pense aux biosourcées), la validation des solutions est très attendue.

 

Au cours des premières années, les phases de recherches et de définition des solutions industrielles ont abouti au choix de trois démonstrateurs destinés à évaluer la viabilité technique, économique et environnementale du projet.

 

Un sécheur à tambour rotatif à courant croisé – les granulats avancent à contresens du flux de gaz – est installé dans la cimenterie de l’entreprise Vicat, à Créchy (Allier) ; un conteneur a été développé par le recycleur Clamens avec Eiffage pour traiter les matériaux de démolition de l’ancienne École Centrale de Châtenay-Malabry (92) ; et un sécheur à lit fluidisé est implanté dans la cimenterie LafargeHolcim de Val d’Azergues (Rhône) depuis décembre dernier

 

 

L’unité test chez LafargeHolcim est un sécheur à lit fluidisé acheté d’occasion chez un fabricant de lait en poudre maternisé. Les gaz repris en sortie de filtre du four sont introduits par le fond afin d’entrer en contact avec les matériaux à travers une grille. Puis ils sont extraits et évacué par la cheminée. Ce matériel, qui accepte des batchs de 1 t, permet de vérifier le ratio d’absorption du ciment au contact du gaz composé de 15 % de CO2.

 

Valider les technologies

 

Cet équipement, acheté d’occasion dans une laiterie où il servait à produire de la poudre de lait pour enfant, est long de 9 m et large de 2,25 m. Sa sole intérieure, une grille vibrante de 7,9 m de longueur et 1,2 m de largeur, assure leur déplacement selon une légère pente ascendante afin de maîtriser le temps de contact entre le matériau et le CO2. Cette unité permet de traiter des volumes (batchs) de 1 t, mais elle pourrait être exploitée en flux continu.

 

Le fond de son enveloppe est directement connecté à la sortie du filtre du four à ciment. Ainsi, les granulats introduits par une bouche d’un diamètre de 1,25 m sont soumis au flux ascendant par aspiration des fumées d’un niveau de concentration en CO2 de 15 % ; puis ils ressortent par une trappe de 30 cm.

 

Selon la température, l’humidité et le temps de séjour dans cet appareil, les pores du ciment qui recouvre les granulats seraient en mesure de piéger jusqu’à 30 % du CO2. Cette première approche industrielle permet de valider les principaux paramètres d’efficacité de la carbonatation. « La réaction spontanée du CO2 avec la pâte de ciment hydraté du béton forme du carbonate de calcium », explique Raoul de Parizot, président du projet national FastCarb.

 

Ces tests programmés sur quatre mois ont pour but de produire 20 t de sables et 20 t de granulats traités sur les trois sites d’expérimentation. Ces matériaux seront livrés en centrales de béton prêt à l’emploi et en ateliers de préfabrication de pièces en béton. Les chercheurs du projet FastCarb vérifieront les hypothèses d’amélioration de la qualité des granulats recyclés, de réduction des quantités de ciments nécessaires dans les bétons et réaliseront des essais de durabilité. Rapports et résultats sont attendus d’ici fin 2021.

 

Pour les cimentiers, ces travaux préliminaires serviront à concevoir et dimensionner leurs futurs équipements de carbonatation de matériaux recyclés – technologie, taille selon les débits et les gisements locaux… Une économie circulaire fondée sur le recyclage et le captage de CO2 pourra alors être engagée.

 

 

Le matériau isolant Airium, à base de ciment adjuvanté d’une chimie expansive, sera prochainement diffusé par des entreprises spécialisées pour la pose en combles perdus.

 

Produire du kérosène avec du CO2 de cimenterie

 

Cette initiative fait partie de nombreuses études ambitieuses en cours. Dans le Schleswig-Holstein (Allemagne), LafargeHolcim participe à celle menée par le consortium West Cost 100. L’objectif est d’associer l’hydrolyse de l’eau à partir d’électricité éolienne (du « power to gas » géré par EDF Allemagne) au process d’une cimenterie.

 

Dans un premier temps, l’oxygène sera introduit dans le four afin de réduire les émissions d’oxydes d’azote (NOx). Dans un deuxième temps, le CO2 en sortie de cheminée sera associé à l’hydrogène vert par la raffinerie de Heide pour produire un hydrocarbure de synthèse : du méthanol qui entrera dans la composition de gaz (butane, propane), d’essence ou de kérosène de synthèse (voir www.westkueste100.de).

 

 

Les laboratoire de LafargeHolcim sont en train de mettre au point des ciments pour produire des bétons à parement hydrofuge : l’eau perle en surface et ne pénètre pas le matériau. Une solution technique pour les sites soumis à inondations.

 

Vers des ciments à faible taux de clinker

 

Pour autant, la démarche de R&D porte LafargeHolcim vers des formules de ciments à moindre poids de CO2. Si les ciments courants s’établissent à 576 kgCO2/t, l’industriel vise 520 kgCO2/t en 2030. Surtout, il travaille sur la mise au point de nouvelles formules de ciments qui permettent de réduire ce poids carbone jusqu’à 40 %.

 

La technique consiste à réduire la part de clinker de 65-75 % à 50 %, et de compléter le mélange avec 30 % d’argiles calcinées. Très abondants, ces silicates et aluminates très fins, de moins de 2 µm, sont le résultat de l’érosion de roches ou du lavage des granulats de carrières et acceptent une cuisson à 750-800 °C au lieu des 1 450 °C. d’où une sensible réduction du poids carbone. L’association de ces composants procure par ailleurs une amélioration de la résistance mécanique et de la durabilité des bétons.

 

Côté industriels, cette évolution aurait aussi un coût : les cimenteries devraient être doublées d’un four spécifique. Cependant, la normalisation européenne est actuellement en retard sur la mise au point technique : le taux minimal de clinker dans les ciments reste maintenu à 65 %. Ce qui handicape pour quelque temps encore la diffusion de cette innovation.

 

Autre solution pour à la fois stocker le CO2 dans le ciment et améliorer les bétons : la technologie Solidia. Mise au point par LafargeHolcim et Air Liquide pour les ateliers de préfabrication de petits éléments, elle consiste à soumettre les bétons à du CO2 pur dans des enceintes confinées. La réaction chimique produit du carbonate de calcium et da la silice qui renforce rapidement le matériau : le béton fait sa prise en un jour au lieu de 28 ! Cette solution émettrait 70 % moins de CO2 qu’un ciment Portland classique. Mais son usage est réellement très spécifique.

 

 

 Les « encres » pour la construction 3D visent les marchés de la construction individuelle, de la préfabrication et des infrastructures.

 

Le béton montre tout son potentiel

 

Les laboratoires de R&D de LafargeHolcim à l’Isle d’Abeau développent par ailleurs un éventail de nouvelles réponses techniques pour la construction. Parmi elles, on peut citer le développement de la mousse de ciment Airium dévoillée en 2018. Initialement lancée pour réaliser de l’isolation rapportée en chargement des alvéoles de blocs béton, ce matériau va prochainement être diffusé en version « isolation de combles perdus ».

 

À l’image des chapes liquides, le cimentier prévoit le déploiement d’un service de pose de cette mousse par des entreprises locales spécialisées. En outre, une version pour isolation extérieure projetée des murs est à l’essai et devrait ultérieurement être proposée. Rappel, le mélange de ciment et de sa chimie expansive forme un matériau isolant d’une conductivité thermique (λ) de 0,037 Wm².K d’un poids de 50 kg/m³ et qui fait sa prise en près de 6 heures.

 

En structure, il faut aussi noter deux développements marquants : la création d’un ciment hydrophobe pour la création de béton dont la peau interdira superficiellement l’absorption d’eau – le produit serait plutôt destiné aux régions de la planète soumises à de fréquentes inondations –, et la mise au point de bétons spécifiques pour la construction 3D.

 

Ces formulations, que les chercheurs nomment d’ailleurs des « encres », sont destinées à trois applications : la construction de maisons individuelles, la préfabrication et la réalisation d’infrastructures pour éviter le banchage ou la réalisation de très grandes pièces préfabriquées et par conséquent difficiles à approvisionner sur chantier. Des solutions pour des pièces en 3D jusqu’à 10 m de hauteur sont en cours de développement.

 

 

En Allemagne, LafargeHolcim participe au projet global Westkueste100 d’économie circulaire entre les activités énergétiques – électricité, raffinerie –, industrielles – cimenteries, sidérurgie – et de consommation. Il vise à réduire drastiquement les émissions de CO2.
 


Source : batirama.com / Bernard Reinteau

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