La modernisation de la fabrication du ciment en Chine entraîne des gains environnementaux substantiels

Communications Terre & Environnement volume 3, Numéro d'article : 276 (2022) Citer cet article

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La Chine a connu un boom de la construction et donc une énorme consommation de ciment au cours des dernières décennies. Dans le même temps, la technologie de fabrication du ciment s'est rapidement améliorée. Ici, sur la base de données nationales et provinciales, nous adoptons des modèles de régression, une évaluation du cycle de vie et des analyses de scénarios pour présenter l'évolution et les impacts environnementaux des technologies de fabrication de ciment de 1996 à 2021. Nous constatons que les nouveaux fours rotatifs à préchauffeur de suspension représentent environ 99 % de la production de ciment en Chine en 2021. Le changement climatique et l'épuisement des ressources fossiles sont identifiés comme les principales charges environnementales de la fabrication du ciment, tandis que la réduction des émissions de particules semble être le principal avantage de la nouvelle technologie. En 2021, les mises à niveau technologiques avaient permis d'atténuer la pollution due à la fabrication du ciment de 25 % à 53 %. Nos conclusions peuvent aider à éclairer des voies crédibles vers une industrie du ciment plus durable et plus respectueuse de l'environnement.

À l'échelle mondiale, environ 40 % de la consommation d'énergie finale mondiale et des émissions de gaz à effet de serre liées à l'énergie et aux procédés sont causées par les bâtiments et les activités de construction dans lesquels le ciment est un ingrédient essentiel1,2. Avec la croissance rapide de l'urbanisation et de la modernisation, la consommation et la production de ciment dans la construction de bâtiments ont considérablement augmenté. Depuis 1985, la Chine est devenue le premier producteur de ciment et a consommé plus de ciment en 3 ans (c'est-à-dire de 2010 à 2012) que les États-Unis n'en ont consommé pendant tout le XXe siècle3,4. En 2018, la production chinoise de ciment représentait environ 56 % de la production mondiale de ciment5.

En raison des progrès rapides de la technologie de fabrication du ciment (CMT), la Chine a utilisé trois grands fours à ciment au cours des dernières décennies6, y compris des fours verticaux, d'autres fours rotatifs (par exemple, des fours rotatifs à voie humide, des fours creux secs, des fours à préchauffage vertical7) et de nouveaux fours rotatifs à préchauffeur à suspension (NSP). Avant 2000, les fours verticaux étaient le CMT dominant en raison du coût élevé des équipements importés (c'est-à-dire les fours rotatifs NSP)8. La part de marché des fours rotatifs NSP, la technologie la plus avancée avec une capacité de production à grande échelle et une qualité de produit stable9, était très limitée pendant cette période, bien inférieure à la part de marché des fours verticaux6,10. Cependant, avec l'essor économique, les fours rotatifs NSP ont commencé à gagner en popularité sur le marché de la fabrication du ciment après 2000 et sont devenus dominants après 201011,12.

Cette énorme quantité de production et de consommation de ciment en Chine s'est accompagnée d'impacts environnementaux importants, tels que le dioxyde de carbone (CO2)13, l'oxyde d'azote (NOx)9,14 et les métaux lourds15,16. Le processus de fabrication du ciment comprend principalement quatre étapes : l'extraction des ressources, la préparation des matières premières, la calcination du clinker, le broyage du ciment17,18 et la combustion des combustibles fossiles19. Ces étapes de fabrication épuisent non seulement l'énergie et les ressources naturelles, mais libèrent également de la poussière, du bruit et des contaminants dans l'environnement, causant de graves dommages à l'environnement naturel et à la santé humaine20,21. Bien que diverses études aient analysé le fardeau environnemental de la fabrication du ciment, quelques limites demeurent. Premièrement, la voie de la transformation CMT et le changement correspondant de l'impact environnemental en Chine n'ont pas été révélés22,23,24,25. Deuxièmement, des études récentes ont montré qu'en plus du changement climatique (CC), la production de ciment a d'autres impacts graves, tels que l'épuisement des fossiles (FD) et la formation d'ozone photochimique (POF)26,27,28,29. Une analyse plus complète est nécessaire pour identifier les impacts environnementaux clés pour d'autres mesures d'atténuation. Troisièmement, il existe des variations entre les provinces dans la répartition du CMT3, alors qu'un nombre limité d'universitaires ont étudié l'évolution du CMT ou estimé les impacts environnementaux de la production de ciment en Chine au niveau provincial30, et de telles recherches sont nécessaires pour révéler les impacts locaux, en particulier ceux des polluants sur le sol et l'eau (par exemple, l'acidification terrestre et l'écotoxicité terrestre). Enfin, de nombreuses mesures ont été prises par le gouvernement central chinois pour promouvoir une industrie cimentière durable et coordonnée31, mais les réalisations environnementales globales des dernières décennies n'ont jamais été évaluées et quantifiées.

Par conséquent, nous visons à combler ces lacunes dans la recherche en cartographiant la mise à niveau et la distribution du CMT de 1996 à 2021 aux niveaux national et provincial avec des données de production locales. Une évaluation complète et globale de l'impact environnemental de la fabrication du ciment a été réalisée en appliquant une analyse du cycle de vie à l'inventaire national du cycle de vie du ciment. De plus, nous avons montré la répartition provinciale et l'évolution de la charge environnementale dominante et avons choisi des provinces représentatives pour cette explication. De plus, nous avons illustré les gains environnementaux obtenus en modernisant la fabrication du ciment en Chine à travers l'analyse de scénarios. En outre, nous avons sélectionné les émissions de CO2 et la consommation d'électricité par tonne de ciment comme indicateurs types pour effectuer des comparaisons entre pays. Selon ces résultats, nous proposons des approches d'atténuation environnementale aux niveaux mondial et national en termes d'innovation technologique, de production plus propre et de conception de politiques de durabilité.

Nous analysons la part de marché nationale et provinciale du CMT et les changements dans l'industrie du ciment en Chine. La part de marché de CMT est obtenue en appliquant l'Eq. (1) et le modèle de régression linéaire (méthodes supplémentaires) basé sur les données de 2005 à 2009. Les figures 1a, b montrent l'évolution de la CMT en Chine et la production nationale de ciment à travers diverses CMT. La production de ciment a été quasi stable de 1996 à 2000 et a été principalement fabriquée à l'aide de fours verticaux et d'autres fours rotatifs. À ce stade (1996-2000), les fours verticaux dominaient le marché, représentant environ 70 %, ce qui est conforme aux études précédentes32,33,34,35,36. Ensuite, il y a eu une baisse brutale de la part de marché des fours verticaux en 2001, résultant principalement de la politique dite de Contrôle de la quantité totale et d'ajustement de la structure de l'industrie, qui prévoyait la fermeture des cimenteries à faible production, à forte consommation d'énergie et à forte pollution avant 200037 Poussée par la croissance économique et l'urbanisation de la Chine, la production de ciment a considérablement augmenté de 2001 à 2013 et a culminé à 2 476 millions de tonnes (Mt) en 2014 (Fig. 1b). Par la suite, cependant, la production de ciment a commencé à décliner progressivement malgré quelques fluctuations. À cette étape (2001-2021), les fours moins efficaces ont été progressivement remplacés par des technologies de pointe pour répondre à la demande croissante du marché. Les fours rotatifs NSP ont commencé à pénétrer le marché en 2001, dépassant les fours verticaux et autres fours rotatifs en 2007, et sont devenus le premier CMT depuis 2010, ce qui est en phase avec le Plan spécial de développement de l'industrie du ciment publié par la Commission nationale du développement et de la réforme38. Une raison essentielle est que l'adhésion de la Chine à l'Organisation mondiale du commerce en 2001 a permis aux entreprises cimentières chinoises de suivre le développement technologique mondial, de renforcer leur sensibilisation à la protection de l'environnement et d'accélérer leur progrès technologique6. Enfin, les fours rotatifs NSP se sont répandus dans presque tout le pays, avec une part de marché d'environ 99 % en 2021 (Fig. 1a).

a illustre l'évolution de la technologie de fabrication du ciment en Chine. b montre la production de ciment de différents CMT de 1996 à 2021. c, d comparent les disparités régionales dans l'industrie chinoise du ciment en 2001 et 2014. Les technologies de fabrication de ciment de la province de Hainan, de la municipalité de Tianjin et de la province de Taiwan ne sont pas incluses en raison de la disponibilité des données . Les données sur la production de ciment par province sont recueillies auprès de China Cement Almanac63, Almanac of China Building Materials Industry64 et National Burau of Statistics in China65.

Les fours rotatifs NSP ont commencé à représenter plus de 10 % de la part de marché en 2001, et la production nationale de ciment en Chine a culminé en 2014. Par conséquent, 2001 et 2014 sont sélectionnées comme des années typiques pour présenter la distribution spatiale de la production de ciment et la capacité de fabrication au niveau provincial (Fig. 1c, d). Les EGC de différentes provinces ont connu plusieurs cycles de mise à jour au cours de cette période. En 2001, les fours verticaux et autres fours rotatifs représentaient la majorité du marché du CMT, tandis qu'en 2014, les fours rotatifs NSP dominaient le marché, en particulier dans l'est et le sud de la Chine. Les provinces du Shandong, du Jiangsu et du Guangdong semblent être les principales provinces avec la plus grande production de ciment. La production totale de ciment de ces trois provinces représentait environ 20 à 30 % de la production nationale de ciment en 2001 et 2014. En revanche, il y a environ deux fois plus d'entreprises de ciment dans l'est et le sud de la Chine que dans l'ouest et le nord de la Chine (tableau supplémentaire 3). La modernisation du CMT dans les provinces de l'ouest et du nord telles que le Shanxi et le Ningxia semble être plus lente, car ces régions ont une production de ciment inférieure à celle des provinces de l'est et du sud en raison d'une économie sous-développée et de leur manque de ressources en calcaire.

Les résultats de l'analyse du cycle de vie (ACV) des trois CMT ont été comparés ; les différences substantielles entre les impacts environnementaux des trois fours à ciment sont illustrées à la Fig. 2a. Les résultats indiquent que FD, CC et POF représentent les impacts environnementaux les plus significatifs. L'impact dominant est passé de FD à CC avec la mise à niveau de CMT. De plus, les impacts locaux associés au sol et à l'eau sont principalement l'acidification terrestre (TA) et l'écotoxicité terrestre (TE). La principale source de FD est la combustion de combustibles fossiles tels que le charbon pour fournir de l'énergie aux fours à ciment. Le CC est principalement attribué au rejet direct de CO2 à partir de trois sources principales : la décomposition du carbonate, la combustion de carburant et la consommation d'électricité. La POF est causée par les émissions de NOX, qui sont également formées par la combustion du combustible dans le calcinateur et le four. L'AT est causée par des dépôts acides avec des oxydes de soufre (SOX) émis par les matières premières et les composés contenant du soufre lors de la combustion du charbon. L'ET résulte principalement des émissions de métaux lourds provenant de la combustion du charbon dans la production de clinker. Ces résultats sont conformes aux études précédentes39,40,41,42. Une autre découverte importante est que les fours rotatifs NSP ont des impacts environnementaux nettement inférieurs en raison de l'adoption de techniques et d'équipements avancés au stade de la combustion du clinker. Avec l'amélioration de l'efficacité de la production et de l'utilisation de la chaleur dans les fours rotatifs NSP43, environ 50 % moins de combustibles fossiles sont consommés. Pendant ce temps, la chaleur est réduite en raison de la longueur plus courte du four rotatif dans le système NSP. De plus, les brûleurs à charbon pulvérisé avec de multiples conduits d'air jouent un rôle crucial dans les économies d'énergie (réduction du rapport d'air primaire) et la protection de l'environnement (par exemple, faible NOx et carburants alternatifs). Du point de vue provincial, la charge environnementale a une relation étroite avec la production de ciment et le CMT (Fig. 5 et Fig. 1c, d supplémentaires). Pour explorer plus en détail comment la production de ciment et les CMT affectent les impacts environnementaux régionaux, nous prenons les principales provinces de production de ciment du Sichuan (SC) et du Guangdong (GD) comme exemples et la formation de particules (PMF) comme impact environnemental ciblé (Fig. 2b et Fig. Supplémentaire . 4). Les résultats montrent qu'en tant que pionnier dans la mise à niveau de CMT, GD a une réduction de l'impact environnemental plus importante que SC. Sans modernisation continue du CMT à GD après 2010, les impacts environnementaux ont continué d'augmenter avec la croissance de la production de ciment.

a compare les principaux impacts environnementaux de la fabrication du ciment sur la base de trois principaux CMT. La taille de la bulle représente la part de la catégorie d'impact sélectionnée représentant la somme des résultats de normalisation de l'ACV d'un CMT. b montre la localisation géographique de deux cas sélectionnés au niveau provincial. c illustre l'évolution de l'impact environnemental du PMF causé par la fabrication du ciment sur la base de trois fours à ciment en 2002, 2006, 2010, 2014 et 2018.

Les gains environnementaux de l'évolution de la CMT sont illustrés à la Fig. 3. Nos résultats ont montré que l'adoption de la CMT avancée (par exemple, les fours rotatifs NSP) présente des avantages environnementaux remarquables dans la fabrication du ciment, atténuant la charge environnementale d'environ 25 à 53 % de 1996 à 2021 sur la base sur la catégorie d'impact environnemental. L'innovation dans les fours à ciment a entraîné une diminution annuelle des émissions de polluants et de la consommation de ressources de la fabrication de ciment en Chine. D'ici 2021, l'adoption et l'expansion des fours rotatifs NSP ont entraîné des réductions cumulées d'environ 53 % des PMF, 47 % des TA, 34 % des TE, 30 % des POF, 29 % des CC et 25 % de la toxicité humaine (HT ). De plus, ~2270 milliards de tonnes (Bt) de combustibles fossiles et 28 Bt d'eau douce ont été économisés.

a–h comparent les impacts environnementaux de la fabrication de ciment en Chine dans deux situations : la « situation réelle » et le « scénario supposé » (si la modernisation du CMT n'avait pas eu lieu). Les pourcentages notés dans la Fig. 3 sont la réduction cumulée des impacts environnementaux de 1996 à 2021.

Bien que FD, CC et POF soient les impacts environnementaux les plus notables de la fabrication du ciment, le PMF est devenu le principal bénéficiaire de la modernisation du CMT (Fig. 3 supplémentaire). Ce résultat peut être dû à la gouvernance efficace des MP des entreprises cimentières avec des lignes de production NSP, qui respectent la norme nationale d'émission de polluants atmosphériques pour l'industrie du ciment (GB 4915–2013) inférieure à 20–30 mg m−344. De plus, des dépoussiéreurs à sac ont été adoptés, contribuant à une production plus propre, avec une efficacité de dépoussiérage de 99,95 %45. Quarante-sept pour cent de la consommation d'eau douce a été réduite grâce au processus de fabrication à sec des fours rotatifs NSP. À une température de 830 à 930 °C, le cru de ciment, c'est-à-dire le carbonate de calcium, se décompose pour produire de l'oxyde de calcium, qui a un fort effet d'absorption du soufre. De plus, le conditionnement ou le refroidissement de l'eau de la tour d'humidification peut absorber le soufre émis par la combustion du carburant et le traitement des matériaux46. Le dioxyde de soufre (SO2) émis par le broyage des matières premières est absorbé par la vapeur d'eau dans les gaz résiduaires et la surface de la poudre de matière première. Tous ces procédés et équipements uniques ont conduit à une diminution de près de 50 % du SO2. De plus, FD, POF et CC ont des capacités d'atténuation des polluants de plus d'un quart des impacts environnementaux cumulés dans le "Scénario Assumé".

La figure 4a illustre les émissions de CO2 par tonne de production de ciment par pays de 1990 à 2015. Le Canada a le fardeau d'émissions de CO2 le plus élevé par tonne de fabrication de ciment tout au long de la période. En revanche, la charge environnementale de la Chine par tonne de production de ciment était inférieure à celle de la plupart des pays développés : malgré les fluctuations au cours de la période 1990-2000, il y a eu une baisse notable après 2000 en raison de l'augmentation rapide des fours rotatifs NSP. Les quatre principaux producteurs mondiaux de ciment étaient la Chine, l'Inde, le Vietnam et l'Amérique, avec plus de 90 Mt de production de ciment en 202047. Les émissions de la Chine et de l'Inde étaient inférieures à 400 kg de CO2 t−1 de ciment, tandis que les émissions du Vietnam étaient supérieures à 500 mt. kg CO2 t−1 ciment en 2015. Le four vertical reste le principal CMT au Vietnam ; les fours rotatifs représentent moins de 30 % du marché des fours à ciment48,49,50. En ce qui concerne la consommation mondiale d'électricité de la production de ciment (Fig. 4b), le Canada et les États-Unis apparaissent comme les deux premiers pays, avec plus de 130 kWh t−1 de ciment en 2018 en raison de l'utilisation croissante de combustibles alternatifs tels que les déchets dangereux. et les pneus qui nécessitent plus d'électricité17,51. Pour la Chine et l'Inde, les résultats étaient d'environ 80 kWh t-1 de ciment car les fours rotatifs NSP détenaient une part de marché de plus de 95 %52. La Chine est le pays leader dans la mise en œuvre de la technologie Excess Heat Recovery (EHR) dans le secteur du ciment. Près de 90 % de sa capacité nationale de production de clinker est équipée de DSE, ce qui contribue remarquablement aux économies d'énergie17. L'Inde dispose d'équipements de pointe pour le concassage, le broyage de la farine crue et le broyage de finition53,54, ce qui permet de réaliser de plus grandes économies d'électricité.

a compare les émissions moyennes de CO2 par tonne de ciment produite par pays de 1990 à 2015. Ici, les émissions totales de CO2 de la production de ciment dans chaque pays5 sont divisées par la production totale de ciment du pays47. b illustre la consommation d'électricité par tonne de ciment produite en 2018. Les données sont collectées auprès de l'Agence internationale de l'énergie79.

L'évolution des impacts environnementaux en Chine offre des preuves solides des avantages notables apportés par la modernisation du CMT. Notre analyse régionale a révélé les impacts environnementaux sur les sites de production de ciment, ce qui est important, en particulier pour l'exploitation des ressources naturelles et les polluants tels que la consommation locale d'énergie fossile et les métaux lourds rejetés dans le sol et l'eau13,26,27,28. Ces résultats peuvent aider les décideurs politiques à proposer des mesures spécifiques pour faciliter une production plus propre. Par exemple, des sols contaminés par des métaux lourds pourraient être utilisés en remplacement de l'argile dans la production de ciment Portland pour traiter la pollution locale par des métaux lourds15. Vers 2030, la demande chinoise de ciment affichera une tendance à la baisse55. Actuellement, la majorité de la production de ciment a profité des fours rotatifs NSP en Chine, laissant peu de place pour un développement ultérieur du CMT13. D'autres stratégies d'atténuation pour l'industrie chinoise du ciment devraient se concentrer sur une meilleure application des technologies innovantes de réduction de la pollution (par exemple, les énergies renouvelables, la capture et la technologie de stockage du carbone56,57) et le choix de matières premières et de carburants de substitution appropriés pour la fabrication du ciment qui adapte la technologie moderne du béton pour atteindre l'objectif de neutralité carbone. Du point de vue du cycle de vie, la certification des matériaux de construction écologiques, tels que les déclarations environnementales de produits (EPD), pourrait être davantage utilisée pour aider à concevoir des mesures politiques favorisant les produits en ciment à faible émission de carbone58.

D'un point de vue mondial, il est essentiel d'identifier la charge environnementale dominante par le biais d'une analyse de la part de marché du CMT avant que les gouvernements locaux ne proposent des stratégies d'atténuation correspondantes pour l'industrie du ciment. D'une part, des approches telles que l'accélération de la mise à niveau du CMT et l'amélioration de la norme d'émission pour les polluants atmosphériques doivent être prioritaires pour réduire l'impact environnemental sur le marché du ciment mené par les fours verticaux ou d'autres fours rotatifs. Notre analyse régionale a montré que les fours verticaux obsolètes et le manque de technologies plus récentes étaient répertoriés comme les principaux facteurs contribuant à l'impact environnemental causé par la fabrication du ciment. Par exemple, le Vietnam possède 8,3 % de la capacité mondiale de production de ciment, la majorité de cette capacité étant soutenue par des fours verticaux47 ; ainsi, l'atténuation de l'impact environnemental accompagnant l'innovation rapide des CMT sera considérablement améliorée. Outre la technologie, le ralentissement du marché et la surcapacité sont des obstacles sérieux qui affectent les industries cimentières de certains pays en développement. Des mesures telles que l'intégration de la capacité de production des entreprises cimentières et la suppression progressive des cimenteries obsolètes devraient être envisagées. D'autre part, la gouvernance collaborative des principaux polluants (par exemple, CO2, SO2, NOX) est cruciale pour les pays où les fours rotatifs NSP sont le principal CMT ; augmenter l'équipement de la technologie EHR, passer à des carburants à faible intensité de carbone, choisir des carburants alternatifs à faible teneur en humidité43,59, améliorer l'efficacité énergétique des équipements auxiliaires (par exemple, convoyeurs, élévateurs, soufflantes, compresseurs et pompes60) et adopter un broyage avancé La technologie (par exemple, les cylindres de broyage à haute pression et les broyeurs à cylindres verticaux) permettra de réaliser des économies d'électricité de 50 à 70 % par rapport aux broyeurs à boulets actuellement largement utilisés61. De plus, nos recherches montrent que les fours à ciment NSP, qui sont les fours les plus efficaces disponibles dans le monde, nécessitent encore des efforts supplémentaires pour atténuer les oxydants photochimiques, tels que la combustion à faible teneur en azote, la combustion étagée et la technologie de réduction catalytique sélective (SCR)62.

Nous reconnaissons les limites suivantes de cette recherche. En raison des informations limitées sur la part de marché des trois principales CMT, des modèles de régression linéaire sont adoptés pour simuler la tendance à l'évolution des CMT dans chaque province de 1996 à 2021. De plus, l'inventaire national du cycle de vie de la fabrication du ciment est appliqué en raison de l'absence d'inventaire du cycle de vie de chaque province. Ainsi, il est nécessaire d'enquêter davantage sur les associations et les entreprises cimentières locales pour compléter et mettre à jour ces données. De plus, les catégories de ciment (par exemple, 32.5, 42.5, 52.5) qui ont diverses exigences de fabrication sont différentes selon la région ; ainsi, les impacts environnementaux de la fabrication de divers produits en ciment ne sont probablement pas les mêmes. En conséquence, la structure de la consommation locale des différentes catégories de ciment et les charges environnementales correspondantes restent à étudier plus avant.

Nous avons illustré l'évolution du CMT de 1996 à 2021 aux niveaux national et provincial. Les études suggèrent que la Chine a connu une transition de production plus propre dans l'industrie du ciment au cours des dernières décennies : des fours verticaux et autres fours rotatifs aux fours rotatifs NSP, qui représentaient environ 99 % du marché du CMT en 2021. Sur la base de l'analyse régionale, les résultats ont indiqué que la modernisation du CMT dans les provinces de l'ouest et du nord, telles que le Shanxi et le Ningxia, semble être plus lente, avec une production de ciment moindre par rapport aux provinces de l'est et du sud en raison d'une économie sous-développée et du manque de ressources en calcaire.

Nos résultats ont identifié les impacts environnementaux de la fabrication du ciment par trois grandes CMT. Les résultats ont en outre confirmé que FD, CC et POF semblaient être l'effet prédominant. Les fours rotatifs NSP étaient plus respectueux de l'environnement que les fours verticaux et autres fours rotatifs. L'impact dominant est passé de FD à CC avec la mise à niveau de CMT. Cependant, les fours rotatifs NSP nécessitent encore une attention particulière pour atténuer les oxydants photochimiques. De plus, les impacts locaux associés au sol et à l'eau sont principalement TA et TE. Du point de vue provincial, le fardeau environnemental de la fabrication du ciment a montré une relation étroite avec la production de ciment et le CMT.

Cette étude a exploré les gains environnementaux obtenus en modernisant la fabrication du ciment en Chine. La recherche a montré que l'adoption de la CMT avancée (par exemple, les fours rotatifs NSP) présente des avantages environnementaux remarquables dans la fabrication du ciment. En revanche, PMF est devenu le principal bénéficiaire de la modernisation du CMT. D'ici 2021, l'adoption et l'expansion des fours rotatifs NSP ont entraîné des réductions cumulées d'environ 53 % en PMF, 47 % en TA, 34 % en TE, 30 % en POF, 29 % en CC et 25 % en HT. De plus, ~2270 Bt de combustibles fossiles et 28 Bt d'eau douce ont été économisés. Ensuite, nous avons comparé la charge environnementale entre les pays. Les résultats ont démontré que les émissions de CO2 et la consommation d'électricité par tonne de production de ciment en Chine étaient inférieures à celles de la plupart des autres pays développés en raison de la mise en œuvre de technologies avancées dans le secteur du ciment (par exemple, EHR).

En conclusion, nos résultats faciliteront le développement durable et accéléreront la transition verte de l'industrie mondiale du ciment en fournissant des stratégies d'atténuation de la charge environnementale pour l'innovation technologique, la production plus propre et la conception de politiques de durabilité.

Sur la base de la part de marché des fours rotatifs NSP de 2005 à 200963 (tableau supplémentaire 4), un modèle de régression linéaire a été adopté pour analyser la part de marché des fours rotatifs NSP en Chine de 2001 à 2021 (les détails et les résultats sont présentés dans les méthodes supplémentaires) . Ensuite, sur la base des résultats de la part de marché des fours rotatifs NSP, la part de marché et le taux de croissance annuel des fours verticaux et autres fours rotatifs dans chaque province ont été estimés à l'aide d'enquêtes sur le terrain en 2006 et 2012 (tableau supplémentaire 1). La part de marché des fours verticaux peut être calculée par l'équation. (1).

où q est la province en Chine. \({L}_{j}^{q}\) est la part de marché des fours verticaux dans la province q au cours de l'année j, et \({N}_{j}^{q}\) est la part de marché de Fours rotatifs NSP dans la province q au cours de l'année j. \({l}_{2006}^{q}\) et \({l}_{2012}^{q}\) représentent la proportion de la capacité prévue des fours verticaux des cimenteries dans la province q en 2006 et 2012, respectivement. \({h}_{2006}^{q}\) et \({h}_{2012}^{q}\) sont la proportion de la capacité prévue des autres fours rotatifs des entreprises de ciment dans la province q en 2006 et 2012, respectivement.

Étant donné que la production de ciment basée sur les fours rotatifs NSP représentait moins de 10 % de la production nationale de ciment avant 20006,10, seuls les fours verticaux et autres fours rotatifs ont été pris en compte avant 2000. La province de Hainan, la municipalité de Tianjin et la province de Taïwan ne sont pas incluses car elles ne figurent pas dans le China Cement Almanac63. Sur la base de la part de marché des CMT, la production nationale de ciment à travers divers CMT peut être obtenue par Eq. (2).

où \({P}_{j}^{a}\) est la production nationale de ciment de catégorie CMT a l'année j. \({T}_{j}\) est la production totale de ciment en Chine au cours de l'année j63,64,65. \({C}_{j}^{a}\) est la part de marché nationale de la catégorie CMT a au cours de l'année j.

L'ACV est le type d'évaluation le plus utilisé avec une large acceptation internationale pour mesurer les impacts environnementaux66. Le modèle ACV comprend l'extraction des ressources, la préparation des matières premières, la calcination du clinker et le broyage du ciment (Fig. 5). Le transport et le processus de conditionnement du ciment ne sont pas inclus dans le périmètre de l'ACV. L'unité fonctionnelle est de 1 tonne de ciment Portland ordinaire car sa production représente plus de 98% de la production totale de ciment en Chine30. L'inventaire du cycle de vie des principaux types de fours à ciment en Chine est tiré d'études menées par des universitaires autochtones Gong67, Yu68 et Li41 (présentés dans le tableau supplémentaire 2). L'ACV des procédés de fabrication du ciment est réalisée par le logiciel Gabi v10.5. Ici, la méthode du point médian (H) de ReCipe2016 v1.169 est adoptée pour analyser la caractérisation de l'impact environnemental des trois principaux CMT. Pour cette étude, huit catégories d'impacts sont sélectionnées : changement climatique (kg éq. CO2), épuisement des ressources fossiles (kg éq. pétrole), formation d'oxydants photochimiques (kg éq. NOx), acidification terrestre (kg éq. SO2), formation de particules (kg PM2,5 eq.), la toxicité humaine (kg 1,4-DCB eq.), l'écotoxicité terrestre (kg 1,4-DCB eq.) et la consommation d'eau douce (m3). Ces impacts sont identifiés comme les impacts environnementaux les plus élevés de la fabrication du ciment28,70,71,72,73.

La chaîne de valeur de la fabrication du ciment comprend quatre étapes : l'extraction des ressources, la préparation des matières premières, la cuisson du clinker et le broyage du ciment. L'inventaire comprend deux aspects : les apports d'énergie, de matière et d'eau ; les sorties d'émissions dans l'air, l'eau et le sol.

Par la suite, une normalisation des impacts environnementaux sur le point médian est effectuée pour comparer la contribution de la fabrication du ciment aux impacts totaux dans différentes catégories74. En normalisation, les résultats caractérisés de chaque catégorie d'impact sont divisés par une valeur de référence choisie (R), ce qui amène tous les résultats à la même échelle28 (Eq. (3)) ; ce processus est utile pour interpréter les résultats. Les facteurs de normalisation de notre étude se réfèrent au niveau mondial de normalisation médiane ReCipe2016 v1.1 201075,76.

où \({N}_{e}\) est le résultat de normalisation de l'impact environnemental e. \({C}_{e}\) est l'ampleur totale de l'impact environnemental e. \({R}_{e}\) est le facteur de normalisation pour la catégorie d'impact environnemental e.

L'analyse de scénarios est considérée comme un outil essentiel pour faciliter la réflexion stratégique dans l'évaluation de l'impact environnemental et soutenir un processus de planification intégré auquel participent les principales parties prenantes77. Sur la base des résultats de l'ACV, deux scénarios peuvent révéler la contribution de l'application CMT. Le scénario supposé ne représente aucune mise à niveau de CMT (c. Situation" et "Scénario supposé" sont présentés dans le tableau 1. Ensuite, nous comparons les impacts environnementaux pour identifier les gains environnementaux de l'évolution du CMT en Chine.

L'Accord de Paris utilise le CO2 comme indicateur dominant pour évaluer le stress des émissions de gaz à effet de serre sur le climat78. Selon les résultats présentés dans la Fig. 2a, le changement climatique est identifié comme le principal impact environnemental de la fabrication du ciment. Par conséquent, les émissions de CO2 sont sélectionnées comme impact environnemental typique pour comparer la production de ciment par tonne par pays. Cependant, il existe peu d'informations sur la structure de la CMT et sa charge environnementale correspondante dans d'autres pays. Pour améliorer la comparabilité, les émissions totales de CO2 de la production de ciment dans chaque pays5 sont divisées par la production totale de ciment du pays47 (Eq. (4)). De plus, l'électricité par tonne de ciment par pays en 2018, qui a été directement collectée auprès de l'Agence internationale de l'énergie79, a été utilisée pour comparer davantage la consommation d'énergie et la charge environnementale de la fabrication de ciment entre les pays.

où \({E}_{j}^{m}\) est la moyenne des émissions de CO2 de la production de ciment dans le pays m au cours de l'année j. \({I}_{j}^{m}\) est le total des émissions de CO2 de la production de ciment dans le pays m au cours de l'année j5. \({T}_{j}^{m}\) est la production totale de ciment du pays m au cours de l'année j47.

Les ensembles de données générés et analysés dans cette étude sont détaillés dans les informations supplémentaires et disponibles sur Figshare (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.20580399.v1). La production de ciment en Chine par province est collectée à partir du China Cement Almanac63, de l'Almanach of China Building Materials Industry64 et du National Burau of Statistics in China (http://www.stats.gov.cn/)65. L'électricité par tonne de ciment par pays est disponible auprès de l'Agence internationale de l'énergie (https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/electricity-use-per-tonne-of-cement-in-selected- pays-et-régions-2018)79.

Toutes les figures cartographiques ont été réalisées avec le logiciel Tableau (2021). Les analyses d'évaluation du cycle de vie réalisées ici ont utilisé le progiciel standard : Gabi (v10.5).

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Ce travail a été soutenu financièrement par la National Natural Science Foundation of China (71974129, 71991484), le Shanghai Pujiang Program (20PJ1412000) et le Program of Special Appointment [Eastern Scholar] of the Shanghai Institute of Higher Learning (TP2020049).

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Gang Liu

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BH a conçu la recherche. XX a rédigé le manuscrit. XX et BH ont dessiné toutes les figures. LL a recueilli des données provinciales sur l'EMC. BH, GL, ZC, XG, RM et LD ont révisé le manuscrit. XX, YC et YW ont effectué le calcul et l'analyse.

Correspondance avec Beijia Huang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent. Gang Liu est membre du comité de rédaction de Communications Earth & Environment, mais n'a été ni impliqué dans la révision éditoriale ni dans la décision de publier cet article.

Communications Earth & Environment remercie Ujjwal Sharma et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail. Rédacteurs en chef de la manipulation principale : Alessandro Rubino, Joe Aslin et Heike Langenberg.

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Réimpressions et autorisations

Xu, X., Huang, B., Liu, L. et al. La modernisation de la fabrication du ciment en Chine entraîne des gains environnementaux substantiels. Commun Terre Environ 3, 276 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00579-3

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Reçu : 04 mars 2022

Accepté : 10 octobre 2022

Publié: 17 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s43247-022-00579-3

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