Électrifier le fer: le futur de la sidérurgie verte

L’Importance du Fer

Le fer est souvent considéré comme un métal ennuyeux par les investisseurs. Il suit principalement les cycles économiques mondiaux et il est peu probable qu’il possède une narrative qui lui soit attachée. Personne ne s’attend à ce que la demande de fer triple au cours de la prochaine décennie en raison de la demande de batteries, de la production de panneaux solaires, d’un boom aérospatial dans le cadre d’une course à l’espace, ou des risques croissants de conflit mondial.

Mais cela peut aussi être une qualité. Environ 90 % de tous les métaux raffinés de nos jours est du fer.

Le fer et l’acier (composés à 97 % de fer) sont absolument omniprésents dans tout ce que nous utilisons quotidiennement dans le monde moderne:

• Infrastructure: ponts, voies ferrées, ports.
• Construction: béton armé, poutres, toitures, clous & vis, etc.
• Transport: voitures, trains, navires.
• Usages industriels: tuyaux & pipelines, réservoirs de stockage, machines lourdes,
• Défense: cuirassés, chars, obus d’artillerie, armes à feu, balles, etc.
• Énergie: fours, turbines, piliers d’éoliennes, cadres de panneaux solaires, etc.
• Soins de santé: lits, instruments chirurgicaux, etc.
• Biens de consommation: appareils de cuisine, appareils ménagers, cheminées, etc.

Cependant, la production de fer est malheureusement un processus très intensif en carbone, reposant principalement sur un type spécial de charbon: le charbon de coke.

Certaines tentatives ont été faites pour remplacer le charbon de coke par de l’hydrogène vert, mais seul un minerai de fer de très haute qualité peut être utilisé avec de l’hydrogène. Un minerai moins cher avec une teneur en fer plus faible serait nécessaire pour compenser les coûts plus élevés de l’hydrogène par rapport au charbon.

Nous avons précédemment évoqué que la procédure traditionnelle du haut fourneau pourrait être remplacée par un nouveau procédé appelé fusion éclair du fer, plus proche d’une explosion qu’une fonte lente du minerai.

Des chercheurs de l’Université de l’Oregon étudient une possibilité encore plus intrigante: éliminer les hautes températures et raffiner les minerais de fer uniquement avec de l’électricité. Ce serait un progrès majeur pour le monde, car l’électricité verte pourrait être utilisée directement, sans conversion coûteuse en hydrogène, et réduirait globalement les émissions de carbone de façon massive.

Ils ont publié cette recherche dans ACS Energy Letters¹, sous le titre « Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3 ».

Du minerai de fer au métal de fer

Le fer se trouve dans la nature sous forme oxydée, notamment l’hématite (Fe2O3). Pour être utile en tant que métal industriel, les atomes d’oxygène doivent être retirés.

Normalement, cela se fait en ajoutant du charbon, dont le carbone se transforme en CO2. Alternativement, le fer vert utilise de l’hydrogène qui se transforme en eau (H2O).

Une autre option consiste à fournir à l’oxyde de fer suffisamment d’énergie pour que l’atome d’oxygène se sépare et forme de l’oxygène gazeux (O2). C’est l’idée derrière la production d’acier électrochimique. Il s’agit d’une réaction électrochimique qui fonctionne le mieux en conditions alcalines (l’opposé de l’acide).

Source: ACS Energy Letters

Il convient de noter que ce processus doit également être très évolutif, car la production mondiale annuelle de fer se situe à l’échelle du million de tonnes par an.

Électroréduction du fer

Pour tester comment rendre ce type de réaction plus efficace, les chercheurs ont conçu un système personnalisé fonctionnant un peu comme une batterie, et opérant à seulement 82 °C (180 °F).

Source: ACS Energy Letters

Dans cette configuration, les particules de fer sont suspendues dans une solution d’hydroxyde de sodium (NaOH), mais le sel fondu (NaCl) est également possible et peut produire du chlore (Cl2) comme sous-produit.

Les oxydes de fer denses ont été réduits, ou convertis en fer élémentaire, de façon la plus sélective à une densité de courant de 50 milliampères par centimètre carré, similaire à la charge rapide des batteries lithium-ion.

Ils ont découvert que, bien que le processus fonctionnait bien avec des particules de fer testées en utilisant du minerai naturel avec des particules denses de tailles irrégulières et des impuretés, le processus n’était pas suffisamment sélectif et efficace.

Trouver les bonnes conditions

Une étrange occurrence lors des premiers tests était que certaines particules se transformaient en fer métallique mieux que d’autres, sans corrélation avec leur taille, contrairement aux attentes. Ainsi, les chercheurs ont commencé à tester si la structure nanoscopique des particules pouvait être un facteur plus important.

Des particules d’oxyde de fer de taille micrométrique contenant des impuretés de carbone et de baryum ont été testées et ne se sont pas suffisamment réduites.

Alternativement, des particules lâches avec une porosité plus élevée, et donc une surface plus grande, ont facilité une production d’acier électrochimique plus efficace, comparées à celles conçues pour ressembler à l’hématite naturelle, moins poreuse.

Source: ACS Energy Letters

« Identifier les oxydes qui peuvent être convertis en métal de fer à basse température est une étape importante dans le développement de processus entièrement électrifiés pour la production d’acier. »Paul Kempler – Chercheur principal à l’Université de l’Oregon

Rendre l’électroréduction du fer compétitive

Malgré cette limitation, l’électroréduction du fer pourrait encore être viable d’un point de vue économique. Cela s’explique par le fait que la méthode utilise beaucoup moins d’énergie et une température plus basse, réduisant le coût global de la production de fer.

Avec cette procédure, la production de fer coûterait environ 600 $/tonne. C’est relativement économique, mais pas optimal comparé au coût nivelé de l’acier produit dans le processus de haut fourneau/four à oxygène, récemment estimé à environ 400 $/tonne.

Une étape supplémentaire pour améliorer la rentabilité pourrait consister à combiner la réduction du fer avec la production chimique. Les électrocellules de production de fer pourraient être combinées avec des cellules de production de chlore pour former une unité de production chloro-fer, qui pourrait être installée en série afin de créer une usine de production complète.

Source: ACS Energy Letters

En tenant compte de la production de Cl2, un produit chimique très utile utilisé en grande quantité par l’industrie chimique, l’économie des opérations s’améliore, la rapprochant probablement beaucoup des coûts du haut fourneau.

Améliorations supplémentaires

Le problème de dépendre uniquement d’un minerai avec les bonnes structures nanoscopiques est qu’il pourrait limiter sévèrement le potentiel d’adoption généralisée de cette technologie, même si l’économie est favorable. Dans l’ensemble, il est peu probable que la refonte totale de l’industrie minière du fer, qui produit beaucoup d’hématite à faible porosité, soit réaliste.

Une alternative pourrait être de nouvelles techniques pour rendre les matières premières d’oxyde de fer plus poreuses, potentiellement grâce à l’utilisation d’électricité ou de chocs thermiques.

Entreprise minière de fer

Une baisse des coûts de fusion du fer et des émissions de carbone pourrait rendre l’acier encore plus populaire qu’il ne l’est aujourd’hui. En matière d’exploitation minière, l’échelle et une bonne géologie sont essentielles, des coûts de production faibles permettant des profits plus élevés et une sécurité pendant les ralentissements, qui sont inévitables sur les marchés des matières premières.

La société brésilienne Vale est le plus grand producteur mondial de fer et de nickel, avec un total de 323 à 330 millions de tonnes produites en 2024.

L’entreprise produit également des métaux pertinents pour la transition énergétique comme le cuivre. Bien que ces métaux puissent devenir plus importants à l’avenir, pour l’instant, le fer est le cœur de l’entreprise.

L’entreprise était auparavant plus diversifiée mais s’est recentrée sur le fer ces dernières années, ayant cédé des mines de divers autres métaux d’une valeur de 2 milliards de dollars ainsi que d’autres produits comme l’huile de palme.

Source: Vale

Base d’actifs importante

Vale se qualifie comme une société de services publics de taille moyenne, exploitant son propre réseau ferroviaire, ses trains, ses ports et ses navires pour transporter le minerai de l’extraction jusqu’à la livraison aux clients.

Elle produit également une grande partie de son énergie, car elle opère dans des régions éloignées et ne peut pas dépendre du gouvernement brésilien pour assurer correctement son approvisionnement, surtout compte tenu de ses besoins énergétiques massifs.

Cela se faisait généralement avec l’hydroélectricité, car l’activité minière n’est pas très différente de la construction hydroélectrique (terrassements, creusement de roches avec des explosifs, quantités massives de béton, machines lourdes, méga projets de construction, gestion des pluies, etc.).

Ces infrastructures sont complétées par le centre R&D de l’entreprise, ses laboratoires, des centaines de géologues, des centres de formation, etc.

Surmonter les responsabilités passées

Un grand risque pour une entreprise minière massive comme Vale est un accident majeur causant d’énormes dégâts.

C’est ce qui s’est produit en 2015, avec une catastrophe massive survenue après l’effondrement d’un barrage construit par Vale. Puis un incident similaire en 2019.

L’inondation a provoqué la pire catastrophe environnementale du Brésil à ce jour, tuant 19 personnes et affectant 39 municipalités dans deux États, les ensevelissant sous des résidus miniers.

Depuis lors, de nombreux barrages similaires ont été réparés et/ou améliorés afin d’éviter une nouvelle catastrophe pendant la saison des pluies.

L’entreprise a également modifié son mode de fonctionnement, ayant investi 2,5 milliards de dollars dans quatre usines de filtration pour créer des résidus secs (roche concassée, poussière et boue) au lieu de résidus humides nécessitant des barrages. Ainsi, à l’avenir, l’activité minière du fer ne générera plus le type de déchets nécessitant des barrages.

L’entreprise travaille également activement à réparer son image, insistant sur le fait que son activité minière a créé une grande réserve naturelle financée par l’entreprise, qui contribue de manière importante à la préservation de la forêt amazonienne, le reste de la région ayant été transformé en pâturages ces dernières décennies.

Source: Vale

Dans l’ensemble, Vale surmonte désormais ses problèmes passés liés aux catastrophes écologiques et devient l’un des actifs les plus précieux du Brésil ainsi qu’un fournisseur central de fer pour le monde, et la Chine en particulier, un pays avec lequel le Brésil renforce ses liens à travers le réseau commercial du BRICS et dans le contexte de tarifs croissants et de tensions avec les États‑Unis.

Dernières nouvelles sur Vale

Études référencées:

^{1. Anastasiia Konovalovaet al. (2025). Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3. ACS Energy LettersVol 10/Issue 4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c00166}