Extraction de matériaux de ciment à partir de l’eau de mer tout en capturant le carbone

Le béton est un matériau essentiel dans le monde moderne, le sable et le ciment étant en fait parmi les productions de matériaux les plus massives au monde en volume et en poids.

Source: Visual Capitalist

La production de ciment est également une activité très énergivore. Elle est presque exclusivement alimentée par des combustibles fossiles, ce qui entraîne la production de ciment étant responsable de 8 % des émissions mondiales de CO₂.

Cela peut être comparé aux émissions de CO₂ des voitures et des fourgons, qui sont responsables de 10 % des émissions totales mondiales. Ainsi, rendre le béton plus durable aurait autant d’impact que de transformer toutes les voitures du monde en véhicules électriques et les alimenter uniquement avec de l’énergie verte.

Une grande partie des émissions de carbone provenant de la fabrication du ciment provient de l’extraction, du concassage, du traitement et du raffinage des matières premières utilisées pour le produire. Comme le calcaire, les roches riches en carbonate de calcium (CaCO₃) sont extraites et mélangées à de l’argile pour obtenir la matière première qui devient du béton.

Il existe potentiellement une autre source de carbonate de calcium sur Terre, qui est l’eau de mer. Les océans contiennent de nombreux minéraux dissous, notamment le sel de table (ions sodium et chlore), mais aussi du magnésium, du calcium, du potassium et même des métaux, avec notamment de l’uranium, qui pourrait un jour être extrait des océans mondiaux au lieu des mines d’uranium. Le CO₂ dissous sous forme d’ions carbonate est également abondant dans les océans, ce qui en fait l’un des puits de carbone les plus puissants de la Terre.

Source: Advanced Sustainable Systems

Des scientifiques de l’Université Northwestern et de CEMEX Innovation Holding AG (Suisse) explorent maintenant s’ils peuvent exploiter cette abondance marine pour produire la matière première du béton tout en capturant le CO₂ au lieu de l’émettre. Ils ont publié leurs résultats expérimentaux dans Advanced Sustainable Systems¹, sous le titre « Electrodeposition of Carbon‑Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections».

Électrolyse de l’eau

L’eau (H₂O) peut être décomposée en ses constituants hydrogène et oxygène en appliquant un courant électrique puissant, généralement avec un catalyseur pour améliorer la vitesse et l’efficacité de la réaction électrochimique. C’est le principe de la production d’hydrogène vert, où l’électricité provient de sources renouvelables.

Cependant, lorsqu’on réalise cette procédure avec de l’eau non pure, et encore plus avec de l’eau de mer, la réaction d’électrolyse réagit également avec les minéraux dissous dans l’eau.

Il s’agit généralement d’une réaction indésirable, car elle peut créer des dépôts sur les électrodes et détourner l’énergie de l’objectif prévu de production d’hydrogène.

Cependant, ajuster les conditions d’électrolyse pourrait transformer cette réaction secondaire indésirable en une nouvelle méthode précieuse pour produire du carbonate de calcium.

Production de ciment à partir d’eau de mer

Approvisionnements illimités

Ce n’est pas nécessairement une idée nouvelle, car le CaCO₃ ainsi que le magnésium provenant de l’eau de mer ont de nombreuses applications dans les secteurs de la construction, de la fabrication et de la dépollution environnementale, y compris la production de béton, de ciment, de plâtres, de peintures et de charges.

Étant donné que les vastes océans couvrant la Terre fourniraient pratiquement une source illimitée de ce matériau, cela a été considéré comme la source potentiellement la plus durable de ces matériaux.

Jusqu’à présent, l’exploration de l’électroréduction de ces minéraux n’a pas permis de trouver une méthode viable pour rendre leur production à partir d’eau de mer économique. C’est ici que les chercheurs de l’Université Northwestern ont ajouté une étape cruciale : l’ajout de CO₂ au processus.

Injection de CO₂ dans l’eau de mer

Parce que l’eau de mer est un mélange complexe de nombreux minéraux, l’application de l’électrolyse entraîne simultanément un réseau d’événements électrochimiques, allant de la précipitation d’ions calcium et magnésium à la formation de gypse à partir des sulfates, la génération de chlore et d’hydrogène, ainsi qu’un changement d’acidité autour de chaque électrode.

Source: Advanced Sustainable Systems

L’injection de CO₂ ajoute une complexité supplémentaire car elle diminue le pH de l’eau de mer. La baisse du pH due au CO₂ est partiellement compensée par la production d’ions OH⁻ provenant de l’énergie électrique.

La dissolution ou la précipitation du carbonate de calcium dépend elle-même de l’acidité de l’eau. À ce sujet, c’est un phénomène qui préoccupe les scientifiques, car à mesure que l’atmosphère s’enrichit en CO₂, les océans deviennent plus acides.

Si le courant électrique est suffisamment puissant, et donc la production d’ions OH⁻, il peut être assez élevé pour maintenir le pH au‑dessus de 8,5.

À ces niveaux d’acidité, les réactions chimiques capturent le CO₂ et le transforment en ions bicarbonate dissous (HCO₃⁻).

Source: Advanced Sustainable Systems

Ces ions bicarbonate réagissent ensuite avec le calcium et précipitent sous forme de carbonate de calcium, le matériau de base pour la production de béton.

Optimisation du séquestrage du carbone

Dans ce type de réaction, la production de carbonate de calcium utilisable pour l’industrie du ciment capturerait le CO₂ injecté au lieu de l’émettre dans l’atmosphère.

Pour chaque niveau de puissance utilisé, il existe un débit optimal de CO₂ injecté qui minimise l’énergie consommée tout en maximisant le rendement de production minérale. Une concentration de 0,30 sccm de CO₂ semblait être ce point idéal, où un niveau de puissance plus bas donne toujours une masse élevée de minéral précipité.

Source: Advanced Sustainable Systems

Création d’un dépôt exploitable

Un problème pour transformer ce concept en application industrielle est le même que celui qui survient lors de la précipitation du carbonate de calcium pendant la production d’hydrogène par électrolyse.

Le plus souvent, le dépôt de calcium obstrue la surface de l’électrode, endommage le système global et le rend moins efficace avec le temps.

Cependant, les niveaux de puissance plus élevés utilisés dans cette expérience, combinés à l’injection de CO₂, ont déclenché des réactions supplémentaires, faisant détacher le carbonate de calcium précipité de l’électrode.

Ainsi, globalement, cette méthode permettrait de produire le carbonate d’une manière qui facilite sa collecte sous forme de dépôt minéral au fond du réservoir, sans obstruer l’électrode.

Croissance de cristaux minéraux

Selon les conditions, différents agrégats minéraux se forment avec des formes cristallines variées, notamment les cristaux de carbonate de calcium (calcite et aragonite) et les cristaux de magnésium (brucite).

Source: Advanced Sustainable Systems

Globalement, le matériau résultant peut être constitué de cristaux de plusieurs centimètres de long (1‑2 pouces) et est également très poreux.

La composition, la porosité et la taille des agrégats synthétisés à l’aide de l’approche proposée répondent aux normes actuelles pour leur utilisation dans des matériaux tels que le béton.

Conclusion

Dans l’ensemble, cette publication démontre que la production d’un matériau de ciment à empreinte carbone négative n’est pas seulement une possibilité théorique mais une option viable lorsqu’on utilise l’injection de carbone pendant l’électrolyse de l’eau de mer.

D’autres paramètres critiques, tels que la dureté et la résistance à l’abrasion, restent à étudier pour confirmer pleinement que le matériau résultant est utilisable pour des projets de construction.

Ce processus est intrinsèquement évolutif, sans limitations évidentes liées à la disponibilité de matériaux rares, à une consommation énergétique excessive ou à de faibles rendements.

En imaginant un réseau de réacteurs interconnectés et évolutifs, cette approche pourrait être déployée à l’échelle industrielle et intégrée aux infrastructures existantes, telles que les installations industrielles côtières.

Des progrès supplémentaires dans la conception des réacteurs devraient permettre d’améliorer l’efficacité économique et énergétique globale, par exemple en optimisant la géométrie des électrodes, les matériaux et la dynamique des flux.

En fin de compte, l’eau dont le carbonate de calcium a été extrait pourrait également constituer un matériau intéressant pour une étape secondaire de génération d’hydrogène à partir de l’eau de mer, car la concentration ionique plus faible devrait aider à réduire les problèmes liés aux dépôts minéraux sur l’électrode.

Investir dans le ciment durable

CRH Plc

En tant que l’un des leaders mondiaux de la production de ciment, CRH jouera un rôle essentiel pour rendre la construction en ciment plus durable. Elle est la numéro 1 en volume total de matériaux de construction fournis tant sur le marché américain que sur le marché européen.

L’entreprise est active dans 28 pays et 3 390 sites, employant 78 500 personnes, CRH Americas représentant 65 % de ses ventes mondiales.

Source: CRH

L’entreprise s’attend à ce que les dépenses robustes des gouvernements occidentaux en infrastructures stimulent sa croissance. Les tendances de réindustrialisation et de relocalisation de la fabrication de haute technologie devraient également aider.

Durabilité

CRH a réalisé des progrès sérieux en matière de durabilité grâce à une série d’initiatives :

• C’est le plus grand recycleur en Amérique du Nord, avec 43,9 millions de tonnes de déchets et de sous‑produits d’autres industries recyclés en 2023.
• Elle a réduit ses émissions de CO₂ de 8 % en 2023, grâce à l’utilisation de 36 % de combustibles alternatifs dans ses usines de ciment.
• Elle vise une réduction des émissions de 30 % d’ici 2030 (par rapport aux émissions de 2021).

Cela est louable en soi mais peut être perçu comme trop peu, trop tard.

Heureusement, CRH est également un moteur de changements plus fondamentaux dans l’industrie. Notamment, elle a investi 75 M$ dans la société de ciment bas carbone Sublime, conjointement avec le géant européen du béton Holcim.

Sublime Systems a été créée à MIT en 2020 pour utiliser un électrolyseur afin de produire du ciment à température ambiante, remplaçant les fours énergivores et à forte intensité de combustibles fossiles. Elle permet également l’utilisation de sources de calcium comme matière première, évitant ainsi le rejet de CO₂ provenant de l’entrée calcaire.

La première installation commerciale de Sublime à Holyoke, Massachusetts, devrait ouvrir dès 2026. Si elle s’avère réussie, elle pourrait être le véritable changement de jeu pour l’industrie du ciment et ouvrir la voie à un béton à faibles émissions évolutif.

« Sublime est une force perturbatrice dans la fabrication du ciment. Sa technologie unique traverse l’ensemble du processus de production, de l’utilisation d’électricité propre aux matières premières sans carbone. Nous sommes enthousiastes quant à son potentiel et ravis de nous associer pour le mettre sur le marché à grande échelle. Cet investissement s’inscrit pleinement dans la stratégie de Holcim d’accélérer la décarbonation de la construction en développant les technologies les plus innovantes. »

Officer Nollaig Forrest – Holcim’s Chief Sustainability

CRH a également investi dans d’autres startups de décarbonisation et de durabilité :

• 23,7 M€ dans Cool Planet Technologies, qui développe des solutions de capture du carbone pour les industries traditionnellement difficiles à décarboniser.
• 34,7 M$ de la part de CRH et d’autres investisseurs dans Carbon Upcycling Technologies, qui utilise une solution de minéralisation entièrement électrique pour stocker de façon permanente le CO₂ dans les sous‑produits et minéraux industriels, tels que le ciment, les plastiques, les produits de consommation, les engrais et les produits pharmaceutiques.
• AICrete, une plateforme « recette‑en‑tant‑que‑service » qui travaille avec les producteurs locaux de béton, optimisant les matériaux locaux et minimisant la quantité de ciment utilisée grâce à des analyses IA, réduisant à la fois l’empreinte CO₂ et le coût de production du béton.
• Le financement de série B de FIDO AI, une startup utilisant l’IA pour réduire la consommation d’eau et augmenter les économies d’eau.

Dans l’ensemble, CRH est un leader rentable de l’industrie du béton, et se prépare activement à la décarbonisation du secteur, tant directement dans les installations existantes qu’en étant un fournisseur majeur de capitaux aux startups innovantes créant la prochaine génération de technologies de production de ciment et de béton.

Dernières nouvelles sur CHR

Études référencées :

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). Electrodeposition of carbon‐trapping minerals in seawater for variable electrochemical potentials and carbon dioxide injections. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}