Decarbonizing the steel industry : techno-economic assessement and modeling of electric arc furnace (en ce compris une introduction à la méthodologie de la recherche)

Abstract

L’industrie sidérurgique est responsable d’environ 7% des émissions mondiales de CO2, faisant de sa décarbonation un défi majeur dans la poursuite de la neutralité carbone d’ici 2050. Parmi les différentes voies de production d’acier existantes, le four à arc électrique (EAF) représente l’une des technologies les moins émettrices en carbone, reposant principalement sur de la ferraille recyclée comme matière première. Ce travail de fin d’études présente une évaluation technico-économique de la production d’acier inoxydable par EAF, en s’intéressant à la modélisation de voies alternatives permettant de réduire davantage son impact environnemental. Le procédé de production étudié comprend trois étapes principales : le four à arc élec- trique, le convertisseur argon-oxygène (AOD) et la coulée continue suivie du laminage à chaud. Chaque étape a été modélisée à l’aide d’une approche boîte noire, avec des bilans de masse et d’énergie issus de la littérature. L’outil de modélisation utilisé est OSMOSE, un logiciel d’optimisation multi-objectifs développé par le groupe IPESE de l’EPFL. Cinq configurations ont été étudiées et comparées : le procédé conventionnel au gaz naturel (NG), le gaz naturel avec capture de carbone (NG+CC), la substitution par du biométhane (BIOCH4), le biométhane avec capture de carbone (BIOCH4+CC), et la substitution par de l’hydrogène (H2). Trois scénarios de prix de l’énergie ont été considérés : un scénario actuel 2026, un scénario idéal optimiste et un scénario compétitif ainsi que deux contextes de facteurs d’émission reflétant respectivement les mix électriques actuels et projetés à l’horizon 2050. Les résultats montrent que la substitution du gaz naturel par du biométhane permet de réduire les émissions de scope 1 de 37% par rapport au cas de référence, tandis que l’ajout d’une unité de capture du carbone par absorption à la monoéthanolamine (MEA) permet d’atteindre des réductions allant jusqu’à 93% en combinaison avec le biométhane. D’un point de vue économique, la configuration au gaz naturel reste la moins coûteuse dans la plupart des scénarios, les coûts des matières premières dominant la structure de coût totale. Le biométhane apparaît comme l’alternative la plus prometteuse à court terme, offrant un équilibre favorable entre réduction des émissions et coût de production, en particulier dans le scénario de prix idéal. L’hydrogène présente un potentiel intéressant dans les scénarios futurs où son coût de production diminue significativement, mais reste aujourd’hui limité par des contraintes à la fois économiques et de disponibilité. Les technologies de capture du carbone, bien qu’efficaces pour réduire les émissions directes, sont pénalisées par leur forte consommation énergétique et les coûts en combustible associés, les rendant peu attractives économiquement dans les conditions actuelles et à court terme. Cette étude fournit un outil d’aide à la décision pour l’industrie sidérurgique utilisant le four à arc électrique et souligne que la viabilité économique des voies de décarbonation est fortement sensible à l’évolution future des prix de l’énergie et à la disponibilité des combustibles renouvelables.