Production de béton bas carbone : Défis et enjeux

La production du ciment, élément central dans la constitution du béton, est aujourd’hui responsable de 8% des émissions de gaz à effet de serre au niveau mondial. Cela représente 2,8 milliards de tonnes de CO2 par an, selon l’Association Mondiale du Ciment et de Béton. Certains parlent du ciment comme le “troisième pays le plus émetteur de gaz à effet de serre après la Chine et les États-Unis”. 

Aujourd’hui, le ciment est principalement utilisé dans la production du béton et, dans une moindre mesure, des mortiers, notamment utilisés pour bâtir ou lisser les murs. Effectivement, à partir des différentes catégories de ciment (cinq différentes, de CEM I à CEM V) et du dosage appliqué, il est possible d’obtenir une large variété de bétons, aux caractéristiques diverses selon la nature des granulats, des colorants, traitements, adjuvants, etc. Finalement, l’apparence, la résistance, le poids, le caractère isolant, étanche et durable du béton peuvent évoluer d’un projet à un autre.

‍

Pour la production de béton bas carbone est un enjeu majeur

Quelques chiffres : le marché du béton est un marché stable, de +650 milliards d’euros, avec une production annuelle de 33 milliards de tonnes et une consommation d’environ 1 tonne par an par être humain. C’est ainsi le second matériau le plus consommé dans le monde après l’eau.

Presque 60% de l’empreinte carbone du béton est due au ciment. Le ciment est un liant chargé de coller entre eux les granulats et le sable du béton. Il a pour composant principal le clinker, produit de la cuisson à très haute température (+1400 degrés) du calcaire et de l'argile broyés dans un four. En chauffant, ce clinker libère du dioxyde de carbone (1 tonne de CO2 par tonne de ciment).

Le graphique ci-dessous illustre bien le poids carbone du ciment dans la production d’un mètre cube de béton.

Afin de répondre aux enjeux de décarbonation, l’ensemble de la filière ciment-béton s’est ainsi engagée au niveau européen, à travers la Stratégie Nationale Bas Carbone, à décarboner son activité de 24 % à l’horizon 2030 et confirme son intention d’atteindre son objectif de 80% d’ici à 2050. Un objectif donc ambitieux, à la hauteur du défi auquel la filière doit faire face.

‍

Quelles sont les solutions existantes et potentielles pour produire du béton bas carbone ?

Nous en aborderons plusieurs, de manière non exhaustive, que nous détaillerons dans de prochains articles.

Plusieurs solutions sont aujourd’hui déjà implémentées, ou en cours d’étude, pour produire du béton bas carbone :

1. Inscrire la filière dans une logique d’économie circulaire en valorisant des déchets, qu’ils soient d’origine industrielle (laitiers, fumées, cendres, béton de démolition, mâchefers) ou bien naturelle (sédiments marins / portuaires, argiles crues et calcinées).
2. Investir et tester massivement les technologies innovantes permettant de développer de nouveaux matériaux bas carbone (CCUS - carbon capture, utilization and storage -, nouveaux liants, additifs activateurs).
3. Réduire la part du béton et la consommation de ciment en s’appuyant sur l’essor des constructions en bois et autres matériaux biosourcés, pour la construction des logements neufs.

Si nous nous concentrons sur la première option, l’une des solutions la plus démocratisée et avancée à date, est de modifier la composition du ciment en substituant une partie du clinker par des matériaux à impacts environnementaux plus faibles, appelés matériaux cimentaires supplémentaires (”Supplementary Cementitious Materials” - SCM). Comme évoqué ci-dessus, ces matériaux sont la plupart du temps des déchets, et peuvent être d’origine industrielle, ou bien naturelle.

Ces matériaux présentent plusieurs avantages pour les cimentiers :

• ce sont des ressources encore peu exploitées et accessibles en relativement grande quantité à travers le monde (sauf exception) ;
• qui, d’un point de vue process, sont incorporés dans les mélanges de béton et ne demandent donc pas de modification particulière par rapport aux procédés industriels classiques ;
• qui permettent d’améliorer la durabilité, réduire la perméabilité et améliorer les propriétés globales de durcissement ;
• tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre liées à la fabrication du ciment.

Côté profondeur de marché, le marché mondial des matériaux cimentaires supplémentaires est en plein essor et devrait croître de +5.4% par an entre 2019 et 2028 (CAGR) pour atteindre +17 milliards de dollars d’ici 2028 (contre 12 milliards de dollars en 2019).

‍

Quels sont les avantages de ces différentes solutions pour produire du béton bas carbone ?

Déchets d’origine industrielle

• Cendres volantes : Elles sont issues de la combustion de charbon. 780 millions de tonnes sont recensées dans le monde, dont seulement la moitié serait utilisée. Elles sont utilisées pour apporter de la résistance au mélange ou introduites comme une addition minérale. Cependant, la réduction de production de charbon dans les années à venir entraînera une baisse de la disponibilité des cendres volantes.
• Laitiers (haut fourneau et aciérie) : Chaque année, la production mondiale d’acier à partir de minerai de fer génère dans les hauts fourneaux environ 400 millions de tonnes de laitiers (résidu inutile aux aciéristes, composés de chaux, silicates, aluminates, et autres). En France, plus de 90 % de la production de laitiers de haut fourneau est déjà revalorisée, les laitiers d’aciérie sont donc de plus en plus ciblés en alternative. Les laitiers représentent un vecteur efficace de réduction des émissions de CO2, dues à la production de ciment, et de stabilité accrue du béton, lorsqu’ils sont activés.
• Fumées de silice : Ce sont des déchets de la métallurgie du silicium, sous formes de particules fines. Elles peuvent être utilisées en remplacement du clinker grâce à leurs propriétés pouzzolaniques (en présence d’eau, elles peuvent se combiner à la chaux pour former un liant).
• Bétons de démolition : 40 millions de tonnes de déchets par an en France, dont 13% générés par les chantiers de construction neuve, dont la gestion est difficile. Ils sont principalement mis en décharge pour être enfouis ou incinérés à un coût très élevé. Cependant, ils peuvent être revalorisés pour fabriquer de nouveaux matériaux de construction sous forme de SCM ou bien de blocs de terres comprimés et bétons naturels. C’est une des alternatives la plus étudiée car permettant aux constructeurs d’être en ligne avec la réglementation REP du bâtiment. Cette réglementation (Responsabilité Élargie des Producteurs) prévoit que les metteurs sur le marché de produits du bâtiment prennent en charge financièrement leur traitement et leur valorisation en fin de vie.

Déchets d’origine naturelle

• Sédiments de dragage (ensemble de particules solides qui se forment par l’accumulation de matières provenant de la dégradation des roches, organismes vivants, etc.) : Ils sont aujourd'hui considérés comme des déchets et sont soit remis au large, soit jetés en décharge car ils empêchent d’exploiter les infrastructures portuaires et limitent leur accessibilité. Leur traitement coûte cher aux collectivités chaque année en extraction, traitement, transport et stockage (50 millions de m3 dragués / an). Ces sédiments étant souvent traités à proximité des voies navigables, où se situent certaines centrales à béton, leur utilisation dans la production de béton bas carbone (principalement en remplacement des granulats traditionnels) permettrait de réduire à la fois la quantité de déchets et l'empreinte écologique liée à leur transport.
• Argiles calcinées / crues : Ce sont des matériaux abondants, souvent disponibles localement (diminuant l’empreinte et le coût liés au transport), dont l’utilisation est moins énergivore que le calcaire. Calcinées, elles peuvent être utilisées comme liant pouzzolanique pour améliorer la résistance (eau et compression) et durabilité des ciments et bétons bas carbone (-40% des émissions de CO2). Crues, elles permettent de construire des bâtiments plus régulés thermiquement et durables (car ne demandant pas de cuisson) mais moins résistants.

‍

À quels défis le béton bas carbone doit-il faire face ?

Au-delà de la raréfaction de certaines de ces ressources - principalement les cendres volantes et laitiers de hauts fourneaux -, entraînant une inflation de ces matières premières, les alternatives s’inscrivant dans une logique d’économie circulaire, font face à plusieurs défis.

• Si de nombreuses startup innovantes, issues d’Universités, de laboratoires et d’anciens du secteur, émergent et attisent l’intérêt des principaux acteurs - cimentiers et fabricants de béton -, la majorité d’entre elles sont encore peu matures. Autrement dit, peu d’innovations ont passé le cap du TRL8 (Technology Readiness Level) et donc commercialisent leurs produits. Néanmoins, un nombre important est en phase de pilote avec les leaders de la filière (Holcim étant l’un des plus actifs).
• Étant encore aux prémices de ces innovations, bon nombre d’entre elles ne rentrent pas dans les normes françaises, et plus largement européennes (notamment la norme NF EN-197-1 qui fixe la composition, spécifications et critères de conformité des ciments). En complément, le manque d’harmonisation au niveau de ces normes ralentit d’autant plus la validation et l’adoption de ces technologies.
• Certains de ces projets développent des business modèles basés sur un “green premium”, c’est-à-dire sur un prix plus élevé, justifié par le caractère durable de leur technologie. Or, sur un marché aussi strict que celui du ciment / béton, où les marges sont déjà faibles, il y a peu de chances pour que les acteurs achètent leurs produits à un prix plus élevé que celui des ciments actuels.

Pour conclure

Si la production de béton bas carbone fait encore face à certaines problématiques, son potentiel est indéniable pour réduire l’empreinte écologique du secteur. Un vaste sujet pour lequel l’investissement à impact peut être catalytique et faire passer à l’échelle des solutions innovantes.

Pour les startups et PME qui contribuent au quotidien à ces solutions, ouvrir son capital à un investisseur à impact privé ou industriel permet d’accélérer son développement et de maximiser son impact social et environnemental.

Vous développez l’une de ses solutions et vous souhaitez lever des fonds ? Contactez-nous.

Vous souhaitez allier impact positif et rendement économique en investissant dans ce type de solutions :

‍