Fourneau à arc électrique vs haut fourneau : émissions de CO2, coûts et avenir de la sidérurgie
Définition : fourneau à arc électrique vs haut fourneau
Un haut fourneau (BF) utilise du minerai de fer et du charbon à coke pour produire de la fonte liquide, qui est ensuite transformée en acier dans un convertisseur à oxygène (BOF). Un fourneau à arc électrique (EAF) utilise des arcs électriques haute tension pour faire fondre de la ferraille en acier liquide. La filière du haut fourneau émet environ 2,33 tonnes de CO2 par tonne d’acier, tandis que la filière à arc électrique en émet environ 0,77 tonne. La production mondiale d’acier est répartie à environ 70 % en BF-BOF et 30 % en EAF, mais cet équilibre évolue sous la pression de la décarbonation.
Table des matières
- La filière du haut fourneau : du minerai de fer à l’acier
- La filière du fourneau à arc électrique : de la ferraille à l’acier
- Comparaison des émissions de CO2
- Comparaison des coûts : dépenses d’investissement et d’exploitation
- Ce que l’EAF ne peut pas produire : limites des nuances d’acier
- Répartition mondiale : pourquoi le ratio 70/30 existe-t-il ?
- DRI à hydrogène vert : la troisième voie
- Implications pour le commerce des matières premières
- Foire aux questions
- Points clés à retenir
La filière du haut fourneau : du minerai de fer à l’acier
Le haut fourneau est la technologie sidérurgique dominante depuis plus de 150 ans. Il s’agit d’un processus massif et continu qui fonctionne 24 heures sur 24, chaque jour, pendant jusqu’à 20 ans entre deux révisions majeures.
Le minerai de fer — généralement des boulettes de minerai de fer ou du fritté (une agglomération cuite de minerai fin) avec une teneur en fer de 62-65 % Fe — est chargé au sommet du haut fourneau avec du coke (un matériau carboné poreux produit en cuisant du charbon à coke dans des fours sans oxygène) et du calcaire (un fondant qui élimine les impuretés).
De l’air chaud (parfois enrichi en oxygène) est soufflé par le bas à travers des buses appelées tuyères. Le coke brûle et génère des températures dépassant 1 500 °C. Le monoxyde de carbone issu de la combustion du coke réduit l’oxyde de fer du minerai en fonte liquide. Le calcaire réagit avec les impuretés (silice, alumine) pour former du laitier, un liquide plus léger qui flotte sur la fonte et qui est soutiré séparément.
La fonte liquide — appelée fonte brute ou métal chaud — est évacuée par le bas du fourneau vers des poches torpilles, puis transportée vers le convertisseur à oxygène (BOF). Dans le BOF, de l’oxygène pur est injecté à haute vitesse à travers le métal chaud. Cela brûle rapidement l’excès de carbone et les autres impuretés (en environ 20 minutes), transformant la fonte en acier liquide.
L’acier est ensuite coulé sous forme de brames, de billettes ou de blooms pour le laminage et la fabrication en aval.
Un seul grand haut fourneau peut produire 10 000 à 12 000 tonnes de métal chaud par jour. Parmi les grandes aciéries intégrées (haut fourneau + BOF), on compte les usines d’ArcelorMittal en Belgique et en Allemagne, les installations de Tata Steel à Port Talbot (UK), ainsi que les sites massifs de POSCO et NSSMC en Corée du Sud et au Japon.
La filière du fourneau à arc électrique : de la ferraille à l’acier
Un fourneau à arc électrique (EAF) est fondamentalement plus simple qu’un haut fourneau. Il s’agit essentiellement d’un grand récipient revêtu de briques réfractaires, équipé de trois grosses électrodes en graphite. Lorsqu’un courant haute tension traverse les électrodes, des arcs électriques se forment entre elles et la charge métallique ; les températures près de l’arc dépassent 3 500 °C.
Le principal matériau de charge est la ferraille — découpée, broyée et triée par type :
- Ferrailles lourdes (HMS 1&2) : Acier de structure, équipements industriels démolis.
- Ferrailles broyées : Voitures et appareils électroménagers broyés.
- Chutes industrielles : Nouvelles chutes provenant des opérations d’emboutissage et coupes de construction.
- Fer préréduit (DRI) / Fer briqueté à chaud (HBI) : Utilisé pour diluer les éléments résiduels (voir section sur les limites ci-dessous).
La ferraille est chargée dans le four, les électrodes sont abaissées, et l’arc fait fondre le matériau en 40 à 60 minutes. De l’oxygène est injecté pour brûler le carbone et les impuretés. De la chaux est ajoutée pour former le laitier. Des alliages (manganèse, silicium, chrome) sont incorporés pour obtenir la chimie cible de l’acier.
Le résultat est de l’acier liquide déversé dans une poche, puis traité dans un four-poche pour ajuster la température et la chimie avant la coulée continue.
Les EAF sont plus petits et plus flexibles que les hauts fourneaux. Un EAF typique produit 200 à 400 tonnes d’acier par coulée (cycle de fusion), avec plusieurs cycles par jour. Les usines EAF peuvent être arrêtées lors des périodes de prix élevés de l’électricité et redémarrées, ce qui est impossible avec un haut fourneau fonctionnant en continu.
Comparaison des émissions de CO2
C’est ici que les deux filières divergent le plus radicalement.
| Filière | Intensité CO2 | Sources d’émissions |
|---|---|---|
| BF-BOF (intégré) | ~2,33 t CO2 par tonne d’acier | Combustion du charbon à coke, réduction du minerai, consommation d’énergie |
| EAF (base ferraille) | ~0,77 t CO2 par tonne d’acier | Production d’électricité (réseau), consommation des électrodes, fondant |
| DRI-EAF (base gaz) | ~1,0-1,4 t CO2 par tonne d’acier | Gaz naturel pour la réduction du DRI, électricité |
| H2-DRI-EAF (hydrogène vert) | <0,1 t CO2 par tonne d’acier | Électricité renouvelable uniquement |
La filière BF-BOF émet environ 2,33 tonnes de CO2 par tonne d’acier brut, selon les données de la World Steel Association. La grande majorité de ces émissions provient du charbon à coke ; le carbone est chimiquement nécessaire dans le processus du haut fourneau à la fois comme combustible et comme agent réducteur. Il est impossible de retirer le charbon d’un haut fourneau tout en produisant du fer.
La filière EAF émet environ 0,77 tonne de CO2 par tonne d’acier, principalement via l’électricité utilisée pour alimenter l’arc. Ce chiffre dépend crucialement de l’intensité carbone du réseau électrique. Un EAF fonctionnant à 100 % à l’électricité renouvelable émet près de zéro CO2 direct. Un EAF fonctionnant sur un réseau à charbon en émet davantage.
Dans le contexte de l’UE : le prix du carbone EU ETS (actuellement 50-70 €/tonne de CO2) signifie que la production d’acier BF-BOF intégré supporte désormais un coût carbone intégré d’environ 115-165 € par tonne d’acier. Il s’agit d’un désavantage concurrentiel significatif par rapport aux producteurs EAF ou aux importations provenant de pays sans tarification carbone — c’est précisément la raison pour laquelle le mécanisme d’ajustement carbone aux frontières (CBAM) de l’UE a été conçu.
Comparaison des coûts : dépenses d’investissement et d’exploitation
Les deux filières ont des structures de coûts opposées.
Dépenses d’investissement (construction de l’usine) :
| Filière | Coût d’investissement typique | Notes |
|---|---|---|
| BF-BOF intégré (nouvelle construction, 3-4 Mt/an) | 2-4 milliards $ | Inclut haut fourneau, cokeries, BOF, laminoirs |
| Mini-usine EAF (nouvelle construction, 1-2 Mt/an) | 300-600 millions $ | Beaucoup plus bas par tonne de capacité |
Un haut fourneau nécessite un complexe intégré complet : cokerie, usine de frittage, haut fourneau, laminoir à chaud ou à tôles, et toutes les infrastructures associées. Le coût d’investissement par tonne de capacité annuelle se situe entre 600 et 1 000 $.
Une mini-usine EAF peut être construite pour 300 à 400 $ par tonne de capacité annuelle. C’est pourquoi la technologie EAF a permis aux “mini-mills” — des sociétés comme Nucor, Steel Dynamics et Commercial Metals aux États-Unis — de construire des aciéries régionales à un coût bien inférieur aux aciéries intégrées.
Coûts d’exploitation :
Les usines BF-BOF ont des coûts de matières premières élevés (minerai de fer + charbon à coke) mais une économie unitaire relativement prévisible une fois que le fourneau tourne. Le charbon à coke représente généralement 30 à 40 % des coûts d’exploitation du BF-BOF. Le haut fourneau ne peut pas être arrêté et redémarré à moindre coût — il fonctionne en continu ou pas du tout.
Les usines EAF ont des coûts de matières premières plus bas (la ferraille est moins chère que les unités de fer vierge par tonne de fer contenu) mais sont hautement sensibles aux prix de l’électricité. L’électricité peut représenter 25 à 35 % des coûts d’exploitation EAF. Lorsque les prix de l’électricité flambent — comme en Europe en 2022 — les usines EAF absorbent le coût ou réduisent la production. Plusieurs sidérurgistes européens en EAF ont réduit leur production en 2022 précisément parce que les prix de l’électricité rendaient la fabrication d’acier non rentable.
L’EAF offre également une flexibilité opérationnelle : les usines peuvent être mises à l’arrêt lors des périodes de prix élevés de l’électricité et redémarrées. C’est un avantage significatif sur les marchés de l’électricité à forte volatilité.
Ce que l’EAF ne peut pas produire : limites des nuances d’acier
La filière EAF présente une limite métallurgique fondamentale : la contamination par des éléments résiduels issus de la ferraille.
La ferraille n’est pas du fer pur. Elle contient des éléments d’alliage résiduels de la composition originale de l’acier : cuivre, étain, nickel, molybdène, chrome. Ces éléments survivent au processus de fusion et ne peuvent être éliminés par oxydation (contrairement au carbone, au silicium et au soufre, qui peuvent être brûlés). Ils s’accumulent dans le bain de fusion.
Le principal coupable est le cuivre. Le cuivre dans l’acier au-delà de certains seuils (généralement 0,1-0,2 %) dégrade l’ouvrabilité à chaud — la surface de l’acier se fissure lors du laminage à chaud. C’est ce qu’on appelle la fragilité à chaud. Pour les nuances d’acier de commodité (fers à béton, profilés de structure, fils machines), les tolérances au cuivre sont larges et la production à base de ferraille EAF fonctionne bien. Pour les produits en acier plat comme les panneaux de carrosserie automobile, l’acier électrique et l’acier d’emballage étamé, le cuivre doit être très bas — souvent en dessous de 0,04 %.
Il n’existe aucune méthode économiquement pratique pour éliminer le cuivre de l’acier liquide une fois qu’il est en fusion. La seule solution est la dilution — ajouter des unités de fer vierge (fonte brute, DRI ou HBI) qui sont exemptes de cuivre. Les usines EAF qui produisent des aciers plats de qualité (comme l’usine de laminage de Nucor à Crawfordsville) font exactement cela, en mélangeant de la fonte brute ou du DRI acheté avec de la ferraille.
La conséquence pratique : les marchés de l’acier automobile, de l’acier électrique et des aciers plats de haute qualité restent largement servis par des producteurs intégrés BF-BOF, car ils utilisent du minerai vierge sans contamination par des éléments résiduels. L’EAF excelle dans les produits longs (fers à béton, profilés, fils machines) et les produits plats de moindre qualité.
Cette limite deviendra de plus en plus importante à mesure que les taux de recyclage des ferrailles augmenteront et que la qualité des ferrailles se dégradera davantage avec l’accumulation des éléments résiduels.
Répartition mondiale : pourquoi le ratio 70/30 existe-t-il ?
La production mondiale d’acier brut est d’environ 1 900 millions de tonnes par an (données 2023). La répartition :
- BF-BOF : environ 70 % (~1 330 millions de tonnes)
- EAF : environ 29 % (~550 millions de tonnes)
- Autre (fours Martin, fours à induction) : ~1 %
La raison de la domination du BF-BOF est la Chine. La Chine produit plus de 50 % de l’acier mondial — environ 1 000 millions de tonnes par an — et environ 90 % de la production chinoise utilise la filière BF-BOF. La Chine a construit une base énorme d’aciéries intégrées au cours des 30 dernières années, et l’approvisionnement en ferraille a été limité par le stock industriel relativement jeune du pays (la plupart des infrastructures et des bâtiments ont été construits récemment et n’ont pas encore atteint leur fin de vie pour constituer une source de ferraille).
En dehors de la Chine, la part de l’EAF est beaucoup plus élevée :
– États-Unis : ~70 % EAF, 30 % BF-BOF. Nucor, Steel Dynamics et Commercial Metals sont des producteurs EAF majeurs.
– UE : ~40 % EAF (varie selon les pays — Italie proche de 70 % EAF ; Allemagne toujours dépendante du BF à cause de la demande automobile).
– Turquie : ~70 % EAF (grand importateur de ferrailles utilisant les flux méditerranéens).
À mesure que la base industrielle chinoise vieillit et que la disponibilité en ferraille augmente, la part de l’EAF en Chine devrait passer d’environ 10 % à 20-25 % d’ici 2035, ce qui représente un changement significatif dans la dynamique du marché mondial.
DRI à hydrogène vert : la troisième voie
Le développement le plus important dans la technologie sidérurgique pour la prochaine décennie est la réduction directe du fer à l’hydrogène (H2-DRI), combinée à la production d’acier en EAF.
Le fer préréduit (DRI) est du fer produit en réduisant des boulettes de minerai de fer avec un gaz réducteur (traditionnellement du gaz naturel — principalement du méthane) à des températures inférieures au point de fusion (~800-1 100 °C). Le minerai reste solide mais est chimiquement réduit de l’oxyde de fer en fer métallique. Le résultat est un matériau métallique spongieux qui peut être introduit directement dans un EAF comme substitut à la ferraille.
Le processus DRI conventionnel (utilisant du gaz naturel) produit environ 1,0-1,4 tonne de CO2 par tonne de DRI — mieux que le haut fourneau, mais pas décarboné.
L’avancée majeure consiste à remplacer le gaz naturel par de l’hydrogène vert — hydrogène produit par électrolyse de l’eau en utilisant de l’électricité renouvelable. Lorsque l’hydrogène réduit le minerai de fer, le seul sous-produit est l’eau (H₂O), pas le CO2. Combinée à une production d’acier EAF alimentée par des énergies renouvelables, la filière complète H2-DRI-EAF peut produire de l’acier avec moins de 0,1 tonne de CO2 par tonne — une réduction d’environ 95 % par rapport au BF-BOF.
Deux projets majeurs mènent cette technologie :
HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) : Une coentreprise entre SSAB (Suède), LKAB (le plus grand producteur de minerai de fer en Suède) et Vattenfall (compagnie d’énergie suédoise). HYBRIT a produit le premier acier au monde réduit à l’hydrogène, livré à un client (Volvo AB) en 2021. La production à l’échelle commerciale est prévue à l’usine SSAB de Luleå entre 2026 et 2030.
H2 Green Steel (devenu Stegra) : Une nouvelle installation en construction à Boden, en Suède. Vise 5 millions de tonnes d’acier vert par an d’ici 2030, alimentée par l’hydroélectricité et l’énergie éolienne suédoises, et utilisant la technologie H2-DRI-EAF.
D’autres entreprises poursuivant des voies similaires incluent ArcelorMittal (usines DRI basées sur MIDREX avec transition vers l’hydrogène), thyssenkrupp (projet tkH2Steel à Duisburg) et Salzgitter (programme SALCOS).
Le défi commercial : l’hydrogène vert coûte actuellement 4 à 8 $/kg, contre un gaz naturel à un équivalent énergétique de 1 à 2 $/kg. L’acier vert produit via H2-DRI supporte un surcoût de 100 à 300 $/tonne par rapport à l’acier BF-BOF conventionnel. La question commerciale centrale de la décarbonation de l’industrie sidérurgique est de savoir si cette prime peut être répercutée sur les acheteurs via des “primes vertes” ou absorbée par la tarification carbone.
Implications pour le commerce des matières premières
La répartition EAF/BF-BOF a des implications directes sur les flux de commerce des matières premières qui soutiennent chaque filière.
Besoins du BF-BOF : Minerai de fer (expédié depuis l’Australie, le Brésil) et charbon à coke (expédié depuis l’Australie, les États-Unis, le Canada, la Russie). Ce sont deux des commerces de vrac sec par voie maritime les plus importants au monde. Un abandon du BF-BOF réduit directement la demande en charbon à coke et en boulettes de minerai de fer de haute qualité — un vent contraire à long terme pour ces marchés de matières premières.
Besoins de l’EAF : Électricité et ferraille. Le commerce mondial de la ferraille est significatif — la Turquie est le plus grand importateur mondial de ferraille, s’approvisionnant aux États-Unis, dans l’UE et au Royaume-Uni. La hausse de la production EAF au niveau mondial signifie une demande accrue en ferraille, ce qui pousse les prix de la ferraille à la hausse et rend l’approvisionnement plus compétitif.
Besoins du H2-DRI : Boulettes de minerai de fer de haute qualité (le DRI nécessite une teneur en fer plus élevée — 67 %+ Fe — que le minerai de haut fourneau standard). Cela crée un marché premium pour les boulettes de minerai de fer de haute qualité provenant de LKAB (Suède), CVRD/Vale (Brésil) et Bahrain Steel. La transition H2-DRI est haussière pour le minerai de fer de haute qualité et baissière pour le minerai de fer de qualité moyenne pour haut fourneau.
Foire aux questions
Quelle est l’option la moins coûteuse à exploiter, le haut fourneau ou l’EAF ?
Cela dépend du coût des matières premières dans chaque lieu. Là où la ferraille est bon marché et l’électricité abordable, l’EAF est moins coûteux à exploiter. Là où la ferraille est rare et l’électricité chère, le BF-BOF a l’avantage. Les mini-usines EAF aux États-Unis ont systématiquement des coûts inférieurs à ceux des producteurs intégrés américains BF-BOF, car la ferraille américaine est abondante et relativement bon marché. Les producteurs EAF européens ont été mis sous pression en 2022 lorsque les prix de l’électricité ont flambé à cause de la crise du gaz.
Un fourneau à arc électrique peut-il fabriquer de l’acier automobile ?
Certains le peuvent, avec des bémols importants. L’acier plat de haute qualité pour les applications automobiles nécessite des niveaux de cuivre très bas (inférieurs à 0,04 %) pour éviter la fragilité à chaud lors du laminage. Les usines EAF qui produisent de l’acier de qualité automobile doivent diluer la ferraille avec des unités de fer vierge exemptes de cuivre — fonte brute, DRI ou HBI. Les usines de Nucor à Gallatin et Crawfordsville font exactement cela. Mais le plafond de qualité pour l’acier plat EAF reste inférieur à celui des usines intégrées BF-BOF sans ajout significatif de DRI.
Qu’est-ce que l’acier vert et combien coûte-t-il de plus ?
L’acier vert est de l’acier produit avec des émissions de CO2 nettement plus faibles que la sidérurgie conventionnelle — généralement défini comme étant inférieur à 0,5 tonne de CO2 par tonne d’acier. La voie principale est le H2-DRI-EAF utilisant de l’hydrogène vert alimenté par des énergies renouvelables. L’acier vert actuel supporte un surcoût de 100 à 300 $/tonne par rapport à l’acier conventionnel, selon le coût de l’hydrogène vert. À mesure que les coûts des énergies renouvelables chutent, cette prime devrait se réduire.
Pourquoi la Chine domine-t-elle la filière BF-BOF ?
La Chine a construit la plupart de ses capacités sidérurgiques au cours des 30 dernières années en utilisant la technologie BF-BOF parce que c’était le moyen le moins cher d’augmenter rapidement la production, parce que le charbon à coke était disponible et parce que la ferraille était rare dans une économie en pleine industrialisation. La Chine produit plus d’un milliard de tonnes d’acier par an, dont environ 90 % via le BF-BOF. À mesure que la base industrielle chinoise vieillit et que la disponibilité en ferraille augmente, sa part EAF augmente progressivement depuis les ~10 % actuels.
Qu’est-ce que HYBRIT et pourquoi est-ce important ?
HYBRIT est une coentreprise entre SSAB, LKAB et Vattenfall visant à produire de l’acier sans énergies fossiles en utilisant la réduction directe à l’hydrogène. En 2021, elle a livré le premier acier “fossil-free” au monde — produit sans charbon à coke ni gaz naturel — à Volvo AB. HYBRIT est important car il démontre que la filière H2-DRI-EAF peut fonctionner commercialement. Si elle est déployée à grande échelle, elle pourrait éliminer environ 2,33 tonnes de CO2 par tonne d’acier dans l’industrie BF-BOF.
Points clés à retenir
- La filière haut fourneau-BOF (BF-BOF) utilise du minerai de fer et du charbon à coke ; le fourneau à arc électrique (EAF) utilise de la ferraille et de l’électricité. Ce sont des chaînes d’approvisionnement en matières premières fondamentalement différentes.
- Le BF-BOF émet environ 2,33 tonnes de CO2 par tonne d’acier ; l’EAF émet environ 0,77 tonne — une réduction de 67 %.
- L’EAF a des coûts d’investissement beaucoup plus bas que le BF-BOF (~300-400 $ par tonne de capacité contre 600-1 000 $) et une plus grande flexibilité opérationnelle, mais est sensible aux prix de l’électricité.
- L’EAF ne peut pas facilement produire des nuances d’acier plat de haute pureté pour les applications automobiles sans ajouter des unités de fer vierge pour diluer les éléments résiduels — en particulier le cuivre — qui s’accumulent à partir de la ferraille.
- La production mondiale d’acier est d’environ 70 % BF-BOF et 30 % EAF ; la part de l’EAF augmente à mesure que la disponibilité en ferraille croît et que la pression de décarbonation s’intensifie.
- Le prix du carbone EU ETS (~50-70 €/tonne CO2) ajoute 115-165 €/tonne de coût carbone intégré à l’acier BF-BOF, créant une pression concurrentielle à laquelle l’EAF et les importations sans tarification carbone ne font pas face de la même manière.
- Le DRI à hydrogène vert (H2-DRI-EAF) est la filière sidérurgique la moins émettrice de carbone, réduisant le CO2 jusqu’à 95 % par rapport au BF-BOF ; HYBRIT et Stegra en Suède sont les projets commerciaux phares.
- Le passage du BF-BOF vers l’EAF/DRI-EAF est baissier à long terme pour le charbon à coke et le minerai de fer standard, et haussier pour les boulettes de minerai de fer de haute qualité et la ferraille.
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