Optimisation de la coordination MAF‑ENF‑CO2 dans les aciéries : modélisation du système et scénarios de réduction des émissions

Pourquoi l'acier et le changement climatique concernent tout le monde

L'acier est caché dans presque tout ce qui nous entoure — bâtiments, voitures, appareils électroménagers, ponts et voies ferrées. Mais la fabrication de l'acier figure aussi parmi les activités les plus intensives en carbone au monde, responsable d'une part importante des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Cette étude examine une aciérie moderne en Chine et pose une question simple mais cruciale : si l'on modifie la manière dont les matériaux et l'énergie circulent dans l'usine, combien peut‑on réduire son empreinte carbone sans la fermer ni repartir de zéro ?

Suivre les parcours des matériaux, de l'énergie et des fumées

Les auteurs élaborent une cartographie détaillée de la circulation du minerai de fer, de la ferraille, du charbon, du gaz, de l'électricité et des gaz d'échappement dans une aciérie typique à haut fourneau‑convertisseur. Ils suivent trois flux simultanément : les flux de matériaux (comment les matières premières et les produits se déplacent), les flux d'énergie (comment les combustibles et l'électricité sont consommés et récupérés) et les flux de dioxyde de carbone (comment les émissions sont produites et où elles se dirigent). En réunissant ces trois flux liés au sein d'un même cadre mathématique, ils peuvent voir comment une modification dans une partie de l'usine — par exemple une augmentation de l'utilisation de ferraille recyclée — se répercute sur toutes les étapes et modifie au final les émissions totales.

Une nouvelle carte de coordination à trois volets

Plutôt que d'examiner les émissions une à une, l'étude considère l'usine comme un réseau étroitement connecté. Le nouveau modèle « tridimensionnel » relie les opérations en atelier, les technologies de processus à un niveau intermédiaire et les politiques climatiques nationales en une seule représentation. Il utilise des matrices — de grandes tables de nombres — pour suivre combien de matière entre et sort de chaque procédé, quelle quantité de combustible est brûlée ou récupérée et combien de dioxyde de carbone est produit par unité d'énergie. Avec ce dispositif, les chercheurs peuvent tester rapidement de nombreux scénarios « et si », comme « Que se passe‑t‑il si nous augmentons la part de ferraille ? » ou « Dans quelle mesure les émissions diminuent‑elles si la centrale passe du charbon au gaz naturel ? »

Tester cinq voies pour assainir une aciérie

L'équipe applique le modèle à une aciérie intégrée réelle en Chine qui a produit environ 8,9 millions de tonnes d'acier en 2022 et émis près de 18,5 millions de tonnes de dioxyde de carbone — soit environ deux tonnes de CO₂ par tonne d'acier. Ils simulent ensuite cinq trajectoires d'amélioration pas à pas. D'abord, ils doublent la part de ferraille utilisée dans le convertisseur pour atteindre 30 %, ce qui à lui seul réduit les émissions d'environ 2 millions de tonnes par an. Ensuite, ils réduisent la quantité de laitier d'aciérie — un résidu qui emporte du métal précieux — de sorte que moins de fer frais doit être fabriqué, diminuant encore les émissions. Une troisième étape remplace une partie du minerai aggloméré par des pellets de meilleure qualité, réduisant légèrement la consommation de combustible et les émissions dans les unités en amont comme la sintration et le cokéfaction.

Transformer la chaleur résiduelle et des combustibles plus propres en gains climatiques

Les deux derniers scénarios se concentrent sur l'énergie. Dans l'un d'eux, l'usine cesse de brûler les gaz excédentaires en torchères ouvertes et les canalise vers une production d'électricité sur site et des unités de valorisation de la chaleur résiduelle. Bien que cela augmente les émissions dans l'atelier de production d'électricité lui‑même, cela évite des émissions encore plus élevées qui auraient résulté de l'achat d'électricité additionnelle sur un réseau lourdement alimenté au charbon, entraînant une réduction nette. Le scénario final remplace la centrale thermique au charbon de l'usine par un système au gaz naturel à haute efficacité. Grâce à la fois à une meilleure efficacité et à une moindre intensité carbone du gaz, ce seul changement réduit les émissions d'environ 4,66 millions de tonnes par an — plus que toute autre mesure isolée.

Ce que cela signifie pour un avenir à plus faible carbone

Au total, le paquet combiné de changements de matériaux, d'ajustements de procédés et d'énergie plus propre réduit les émissions de l'usine de 6,66 millions de tonnes par an, la production d'énergie plus propre et l'augmentation de la ferraille représentant plus de quatre cinquièmes de la réduction totale. Pour le grand public, l'idée essentielle est qu'il n'existe pas de solution miracle : des réductions profondes résultent de la coordination de ce qui entre dans l'usine, de l'efficacité de sa transformation en acier et de la manière dont l'usine est alimentée. Le modèle offre aux responsables d'exploitation et aux décideurs un moyen transparent d'identifier les leviers les plus efficaces et l'ordre dans lequel les actionner. Il propose aussi un modèle que d'autres industries énergivores peuvent adapter à mesure que les pays visent des pics d'émissions et la neutralité carbone.

Citation: Lu, B., Hu, M., Chen, D. et al. Optimizing MAF-ENF-CO₂ coordination in steel mills: system modeling and emission reduction scenarios. Sci Rep 16, 12150 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41172-4

Mots-clés: décarbonation de l'acier, émissions industrielles, efficacité énergétique, acier recyclé, transition vers l'énergie propre