Le charbon est de loin la source d’énergie fossile la plus abondante sur notre planète. Il est également d’emploi pratique et sécuritaire : le charbon est peu inflammable, facile à entreposer et ne présente pas de risque de catastrophe environnementale. Il n’est donc pas étonnant de constater que la majorité des centrales thermiques pour la production d’électricité sont alimentées au charbon
Comme chacun le sait, les centrales au charbon génèrent d’importantes quantités de CO
2, un des principaux gaz à effet de serre (GES). Selon le type de charbon (anthracite, bitumineux, lignite), le type de brûleur et les conditions d’opération, la combustion produira également diverses quantités d’oxyde d’azote et de soufre, de même que des résidus minéraux dont la majeure partie s’échappe avec les gaz de combustion : la cendre volante.
La cendre volante
Les particules minérales entraînées avec les gaz de combustion sont issues de la fusion des minéraux cueillis avec le charbon lors de l’extraction minière de ce dernier : mort terrain, gangue, inclusions minérales dans le charbon. La fusion de matières minérales effectuée à haute température génère des particules très fines et de forme sphérique.
Par leur composition chimique et leur réactivité, ces particules s’apparentent à des particules de ciment Portland, celui utilisé dans la construction d’ouvrages ou d’infrastructures en béton. De cette observation, à l’utilisation de la cendre volante dans la fabrication du béton, il ne manquait qu’un pas que les chercheurs en chimie et en génie civil ont promptement franchi. Rappelons que les Romains utilisaient déjà la cendre volcanique, une autre forme de «cendre volante», dans la fabrication du mortier!
La cendre volante et le béton
Lors de la fabrication d’un béton, si l’on substitue une partie du ciment Portland par de la cendre volante (une substitution de 25-30% est couramment acceptée), il en résulte un impressionnant éventail de retombées bénéfiques :
• un béton plus durable
• une réduction de gaz à effet de serre
• une économie d’énergie.
Ces bénéfices s’ajoutent au fait que l’incorporation au béton de la cendre volante valorise un résidu qui, jusqu’à récemment, était une nuisance environnementale. Ce résidu du charbon présente donc des caractéristiques fort intéressantes qui méritent d’être élaborées.
Un béton plus durable
Le béton, constitué d’un mélange de granulat (sable, pierre), de ciment et d’eau tire sa résistance de la réaction du ciment avec l’eau, pour la formation d’une matrice rigide qui lie les diverses composantes. Or la réaction du ciment Portland avec l’eau génère de la chaux (hydroxyde de calcium) qui demeure dans la matrice cimentaire; si le béton est poreux et qu’il est exposé à des environnements agressifs (pluies ou sols acides, sulfates, chlorures), la chaux pourra réagir avec les agents agresseurs et altérer l’intégrité du béton. La «décalcification» du béton, notamment par une eau ou un sol acide, peut engendrer une «ostéoporose» fatale.
La cendre volante a la capacité de réagir avec la chaux libérée lors de l’hydratation du ciment Portland (réaction pouzzolanique) et d’incorporer cette chaux dans des produits d’hydratation qui deviennent partie intégrale de la matrice cimentaire. Cette dernière est alors moins sensible aux agents agressifs externes (de l’environnement) ou internes (contenus dans les granulats). La présence de la cendre volante améliore également les propriétés du béton selon d’autres aspects: porosité capillaire plus fine (béton moins perméable) et hydratation plus lente (moins de fissuration due aux gradients thermiques). Tout ça, sans changer significativement les technologies de mise en œuvre ou l’aspect esthétique du béton durci; pas mal pour un résidu!
Réduction de GES
Le ciment Portland est issu de la cuisson (~1450
oC) d’un mélange de minéraux broyés, principalement de la pierre calcaire, de la silice, de l’argile et de l’oxyde de fer. Dans le four, la pierre calcaire est convertie en oxyde de calcium (chaux vive qui réagit avec les autres composants pour former le clinker) et en CO
2 qui est libéré dans l’atmosphère. Si on tient compte du CO
2 généré par les combustibles utilisés pour la cuisson, la production de 1,0 tonne de ciment conduit à la génération de ~0,8 tonne de CO
2. Ainsi, chaque tonne de ciment que l’on remplace par la cendre volante réduit de 0,8 tonne nos émissions de GES.
Pour situer l’importance de cette observation, rappelons que les émissions annuelles totales de CO
2 dues à l’activité humaine se chiffrent présentement à environ 30 milliards de tonnes; sachant que la production mondiale du ciment approche les 2 milliards de tonnes/an, on aura tôt fait de calculer que la production du ciment compte pour plus de 5% de tout le CO
2 émis dans l’atmosphère. Par conséquent, si on remplaçait le tiers de tout le ciment utilisé par de la cendre volante, on réduirait d’un seul coup les émissions planétaires de gaz carbonique de 2%!
À l’échelle du Canada, on peut estimer que la substitution de 25% du ciment produit (~15Mt/an) réduirait les émissions de CO
2 de 3Mt/an, une quantité équivalente à celle produite par ~700 000 voitures (présumant 20 000 km/an et une consommation de 8 litres/100km)! La seule réduction des GES justifie donc pleinement l’emploi de la cendre volante dans le béton, mais il y a plus: cette utilisation de la cendre volante génère aussi d’importantes économies d’énergie.
Économies d’énergie
La production du ciment Portland nécessite d’importantes quantités d’énergie, notamment pour l’extraction et le traitement des matières premières, la cuisson de ces matières, et le broyage des minéraux issus de la cuisson (clinker) et du gypse. Au total, la production d’une tonne de ciment nécessite près de 5 milliards de Joules (5 GJ), ce qui correspond à 1,4 mégawatt/heure (MWh).
La production mondiale annuelle de ciment (~2 milliards de tonnes) nécessite donc près de 3 milliards de MWh. L’énergie utilisée présentement à cette fin provient de combustibles fossiles (~80%), d’électricité (~10%) et de déchets (~10%), notamment des ordures domestiques, des huiles usées, des pneus usés, etc. Au total, l’énergie consommée annuellement pour la production mondiale du ciment correspond à toute la puissance générée par la centrale hydroélectrique Manic-5 (environ 2,5GW) pendant ~125 ans! L’utilisation de cendre volante en remplacement du ciment diminue l’énergie consommée en proportion directe du degré de substitution. À l’échelle du pays, le remplacement de 25% du ciment produit annuellement (~15Mt) par de la cendre volante réduirait la demande annuelle en énergie de plus de 5 millions de MWh, ce qui correspond à la consommation énergétique d’environ 200 000 foyers!
Qu’est-ce qu’on attend?
Forte de tous les avantages que nous offre la cendre volante, l’utilisation de ce matériau dans la fabrication du béton apparaît d’une logique évidente. À l’échelle mondiale, la quantité de cendre volante produite annuellement par les centrales thermiques approche 1 milliard de tonnes, soit environ la moitié de la production annuelle de ciment. Il y a donc, en principe, suffisamment de cendre volante pour remplacer 25-30% du ciment dans tout le béton utilisé, et il en reste. Or Malhotra, un des principaux experts scientifiques supportant cette pratique, estimait qu’en moyenne, seulement 10% de la cendre volante produite mondialement est valorisée dans le béton (données de 2004,). Fort heureusement, la tendance est à la hausse; les industries du ciment et du béton, soucieuses de réduire leurs émissions de GES et leurs dépenses énergétiques, adoptent de plus en plus les ciments et bétons contenant jusqu’à 30% de cendre volante. Mais, il y a évidemment des embûches.
La cendre volante étant un résidu, sa composition chimique peut varier selon l’origine et le type du charbon; selon leur teneur en calcium, on les désigne de classe C ou F (respectivement riche ou pauvre en calcium). Les variations de la composition des cendres entraînent évidemment des changements dans la réactivité de ces matériaux, mais les conséquences de ces changements sont aujourd’hui bien comprises et maîtrisées.
D’autre part, la cendre volante n’est pas nécessairement produite près de l’endroit où elle pourrait être utilisée. Au Canada, par exemple, les centrales au charbon se retrouvent surtout dans l’Est, l’Ontario et les Prairies. Par conséquent, le Québec doit importer la cendre volante, avec les coûts de manutention et de transport que cela comporte.
Enfin, toute la cendre volante produite n’est pas forcément utilisable dans le béton. Ainsi, une importante fraction de la cendre volante disponible renferme des quantités excessives de carbone résiduel qui la rendent impropre à son incorporation au béton, particulièrement dans les bétons employés en climat nordique. Cette limitation vient du fait que le carbone résiduel (analogue au charbon activé) interfère avec les agents chimiques ajoutés au béton pour assurer leur protection contre le gel.
Dans ce cas précis, grâce aux travaux de recherche des auteurs et de leurs collègues de deux sociétés (Produits Chimiques Handy, Candiac, QC et Boral Materials Technologies, San Antonio, Texas), un procédé chimique a été développé pour contrer l’effet du carbone. Ce procédé, aujourd’hui breveté a été implanté industriellement et a permis de traiter, à ce jour, plus de 2 millions de tonnes de cendre volante qui a été valorisée sans encombre dans le béton.
Au final….
La croissance fulgurante des économies émergentes, principalement la Chine et l’Inde, s’accompagne d’une croissance correspondante du nombre de centrales au charbon pour suffire à la demande énergétique. En même temps, ces économies ont d’immenses besoins d’infrastructure qui propulsent la demande pour le ciment. Étant donné l’impact des centrales au charbon et des cimenteries sur les émissions de GES, il faut souhaiter que les secondes utilisent au maximum la cendre volante produite par les premières, tant dans les économies émergentes, que dans toutes les autres.
Références :
MALHOTRA, V. M. and RAMEZANIANPOUR, A. A., ‘Fly Ash in Concrete’, Canmet, Natural Resources Canada, Ottawa, 1994.
MALHOTRA, V. M. ‘Role of Fly Ash in Reducing Greenhouse Gas Emissions During the Manufacturing of Portland Cement Clinker’ , Jean PÉRA Symposium on Specialty Cements and Sustainability Issues, Warsaw, Poland, May 24, 2007, p 175-182.
TAYLOR, M., TAM, C., AND GIELEN, D. ‘Energy Efficiency and CO2 Emissions from the Global Cement Industry’ International Energy Division, Paris, 4-5 Sept 2006.
VENTA, G., BOUZOUBAÂ, N and FOURNIER, B. “Production and Use of Supplementary Cementing Materials in Canada and the Resulting Impact on Greenhouse Gas Emissions Reductions”, Eighth CANMET/ACI International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, Supplementary Papers, Las Vegas, U.S.A., pp. 73-87, May 23-29, 2004.
RESSOURCES NATURELLES CANADA, ‘Energy Consumption Benchmark Guide: Cement Clinker Production’, 2001
JOLICOEUR, C., TO, T.C., BENOÎT. E., HILL, R., PAGÉ, M. ‘Fundamental Aspects of FA-Carbon on Air Entrainment in Concrete’ Jean PÉRA Symposium on Specialty Cements and Sustainability Issues, Warsaw, Poland, May 24, 2007, p 67-91.
