Etude de décarbonation de l’industrie céramique par cuisson hydrogène
Acronyme : CeraH2
Programme : Appel à projets de recherche - Énergie Durable : production, gestion et utilisation efficaces et à moindre impact
Mots-clés : Energie
Contexte : La France a mis en place la Stratégie Nationale Bas-Carbone pour atteindre la neutralité carbone en 2050 en ciblant la baisse de la consommation des énergies les plus carbonées et la substitution des énergies fossiles par des énergies décarbonées. L’utilisation d’hydrogène décarboné a ainsi été identifiée comme étant une des technologies de rupture qui conduiraient à atteindre ces objectifs. L’hydrogène est une source d’énergie envisagée en substitution au gaz naturel dans de nombreux procédés industriels. La France a donc initié le Plan de déploiement de l’hydrogène pour la transition énergétique dans l’optique de créer une filière de production et d’usage de l’hydrogène décarboné afin d’en devenir un des leaders mondiaux. L’industrie céramique est un secteur intensif en énergie, nécessitant la réalisation d’une étape de cuisson à haute température (≥ 1000 °C) pour conférer aux produits finaux leurs propriétés d’usage spécifiques. Le gaz naturel est le principal combustible utilisé, induisant des émissions directes de gaz à effet de serre. Afin de réduire l’empreinte carbone de l’industrie céramique, différents axes de recherche sont explorés par les centres de recherche et les industriels. Depuis les années 1990, les émissions totales en CO2 ont diminué d’environ 33 %, grâce à l’optimisation des process de fabrication, le gain de productivité des fabricants (limitation des pertes de matières en cours de production). Différentes pistes de réduction des émissions du secteur sont étudiées par les différents acteurs académiques et industriels pour atteindre la neutralité carbone en 2050, dont la transition des process de fabrication vers des énergies renouvelables. La SFC a finalisé en 2025 le programme DecarboCer ( ref. ADEME 2197D0088 ) qui a conduit à démontrer que la conversion énergétique vers des modes de cuisson électrique bas carbone peut être envisagée sans modification significative des propriétés finales du produit. Mais des freins, principalement d’ordre économique, subsistent en particulier pour les entreprises françaises les plus importantes. En s’appuyant sur ces travaux, la SFC a souhaité poursuivre son développement de connaissances et de compétences sur la décarbonation de l’industrie céramique , en explorant un nouvel axe de recherche et développement sur des process innovants de cuisson à haute température utilisant un combustible 100 % hydrogène vert. C’est dans ce contexte que la SFC a initié le pré-projet PréCeraH2 (ref. ADEME 24ESD0861) pour évaluer les connaissances et compétences sur le process de cuisson céramique à l’hydrogène afin de pouvoir évaluer les technologies et solutions au niveau du laboratoire. L’état de l’art a confirmé l’absence de travaux réalisés sur la cuisson des produits céramiques par combustion d’hydrogène, ou sur l’influence de ce mode de cuisson sur les propriétés des céramiques. Les verrous potentiels d’ordre technique et des pistes de solutions pour le déploiement de la cuisson à hydrogène ont été identifiés et décrits dans le paragraphe 2.2. Les modélisations et simulations numériques ont permis de montrer la faisabilité technique de fabriquer un four de laboratoire utilisant un combustible 100 % hydrogène, suivant les plans développés dans le pré-projet et moyennant la fabrication de brûleurs spécifiques adaptés. Le projet CeraH2 vise à continuer les travaux de Recherche Industrielle engagés sur l’optimisation des systèmes énergétiques et la réduction de leurs impacts environnementaux ( Axe thématique 1 ). Les nouvelles solutions développées dans le cadre de ces travaux de recherche viseront à être déployées sur les secteurs des céramiques dites traditionnelles (carreaux céramiques, appareils sanitaires, art de la table) afin d’accompagner les industriels dans la réduction de l’empreinte carbone et des consommations énergétiques de leur procédé de fabrication, tout en garantissant une conservation de la qualité et des performances des produits finaux. Les résultats et conclusions pourront également être étendus aux autres secteurs des céramiques ainsi qu’à d’autres secteurs industriels énergivores, notamment de l’industrie minérale. De plus, ces travaux répondront aux enjeux de souveraineté et de sécurité des entreprises par l’utilisation d’un combustible produit sur le territoire national.
Description : Les orientations de la Stratégie Nationale Bas-Carbone imposent aux industriels d’actionner différents leviers dans le but d’atteindre la neutralité carbone en 2050. Pour atteindre cet objectif ambitieux, la substitution des énergies fossiles utilisées dans les process industriels par des énergies décarbonées et l’émergence d’innovations de rupture au sein des procédés pour en diminuer les émissions sont visées. L’industrie céramique est un secteur intensif en énergie à cause de la nécessité de réaliser des traitements thermiques à haute température (≥ 1000 °C) des pièces pour leur conférer les propriétés d’usage spécifiques visées, comme une forte résistance aux sollicitations mécaniques et une bonne inertie chimique. Les fours utilisés dans les process industriels de ce secteur fonctionnent au gaz naturel, induisant des émissions directes de CO2. Sur la base des premiers résultats du programme préCeraH2 lancé en 2024 « Etude préliminaire de décarbonation de l’industrie céramique par cuisson hydrogène » ref.ADEME 24ESD0861, le projet CeraH2 (TRL 4-6) vise à réduire l’empreinte carbone de l’industrie céramique en intégrant un process innovant de rupture de cuisson à haute température utilisant un combustible composé de 100% d’hydrogène vert. Ces travaux permettront de valider la faisabilité technique de fabriquer des pièces céramiques avec cette nouvelle technologie en garantissant une conservation de la qualité et des performances des produits finaux. Un déploiement des nouvelles solutions est envisagé sur tout le secteur industriel des céramiques dites traditionnelles (carreaux céramiques, appareils sanitaires, art de la table) ainsi qu'une ouverture vers les autres secteurs industriels des céramiques (réfractaires, tuiles & briques) et d’autres industries grandes consommatrices d’énergie (acier, aluminium, ciment, verre). D’autres impacts environnementaux seront explorés comme la diminution des consommations énergétiques des procédés de fabrication par une évaluation du potentiel de diminution des températures de traitement thermiques. De plus, ces travaux répondront aux enjeux de souveraineté et de sécurité des entreprises par l’utilisation d’un combustible produit sur le territoire national. Pour atteindre cet objectif, le projet CeraH2 s’articulera autour de 4 lots : Lot 1 : Réalisation d’un four de laboratoire à combustion d’Hydrogène Ce lot consistera à mettre en place un four de laboratoire utilisant l’hydrogène comme combustible. Cet équipement devra permettre la réalisation de traitements thermiques aux températures de cuisson des céramiques (entre 1000 et 1350 °C), et posséder les systèmes de gestion des gaz et de sécurité nécessaires pour son utilisation. La validation de l’équipement sera effectuée par la réalisation des cartographies thermiques à vide et en présence d’échantillons céramiques. L’objectif sera de maitriser les conditions de traitement thermique dans cette installation afin de réaliser la cuisson de différents échantillons céramiques aux températures de cuissons appliquées par les différents industriels. Lot 2 : Etudes expérimentales Ce lot vise à évaluer l’impact de la cuisson à hydrogène sur les propriétés et la qualité des produits céramiques et des émaux par rapport à ceux des produits cuits dans un four électrique de laboratoire et après des cuissons dans les fours des usines céramiques partenaires du projet. Cette étude expérimentale permettra d’évaluer la possibilité d’utiliser ce process de cuisson des céramiques. Lot 3 : Bilan environnemental et technico-économique Ce lot a pour objectif d’évaluer, en partenariat avec CVE et des usines céramiques, les impacts environnementaux et économiques des solutions étudiées dans le but d’accompagner l’industrie céramique vers la décarbonation de leur procédé de fabrication. Lot 4 : Coordination, valorisation et communication Ce lot a pour fonction d’assurer le bon déroulement technique et financier du projet.
Objectifs et résultats attendus : Objectifs scientifiques et techniques Comme énoncé dans les paragraphes précédents, le projet CeraH2 vise à réduire l’empreinte carbone et les consommations énergétiques de l’industrie céramique par une conversion énergétique des fours de cuisson vers une utilisation d’un combustible à base de 100% de dihydrogène décarboné, tout en garantissant une conservation de la qualité et des performances des produits finaux, voire les améliorer. Ces résultats visent un déploiement sur tout le secteur industriel des céramiques, en particulier l’industrie céramique à usage domestique, à savoir les secteurs des carreaux céramiques, du sanitaire et des arts de la table et une convergence avec d’autres projets de recherche ayant des actions sur d’autres secteurs industriels énergivores. Le premier objectif technique et scientifique est la fabrication d’un four fonctionnant à des températures de cuisson jusqu’à 1350 °C et utilisant de l’hydrogène comme combustible. Ces travaux s’appuieront sur la recherche bibliographique et sur les calculs numériques et simulations thermo-mécano-fluidiques réalisés dans le cadre du programme PréCeraH2 et décrits dans le paragraphe 2.2 pour la prise en compte des spécificités liées à ce mode de cuisson. Le deuxième objectif technique sera d’acquérir les compétences permettant de maitriser les conditions de réalisation des traitements thermiques avec de l’hydrogène comme combustible afin de reproduire les cuissons réalisées par les industriels des secteurs céramiques. Les propriétés thermiques du four seront déterminées par la réalisation de cartographies thermiques à vide et en présence d’échantillons céramiques, ainsi que par la comparaison des propriétés des échantillons cuits dans ce mode de cuisson avec des références. Le troisième objectif technique sera d’évaluer l’impact des modifications des caractéristiques de cuisson engendrées par la combustion de l’hydrogène, en particulier par rapport à l’humidité supplémentaire de l’atmosphère. En effet, 1 kg d’hydrogène brûlé génère environ 9 kg de vapeur d’eau saturée [7], engendrant une augmentation théorique du taux d’eau de 17,4 % lors d’une combustion sous gaz naturel à 32,1 % lors d’une combustion d’un gaz 100 % dihydrogène. Ces taux d’humidité pourraient être à l’origine de défauts macroscopiques ou microstructuraux pouvant dégrader la qualité des produits finaux. Des études ont montré que la vapeur d’eau générée par la combustion peut corroder plus rapidement les conduits de gaz et les revêtements réfractaires des fours, entrainant une augmentation de la porosité, une diminution de la densité et des propriétés mécaniques des revêtements. Les analyses microstructurales révèlent une transformation de phase, une évolution de la microstructure des réfractaires, la ségrégation des impuretés et la formation de lacunes dans l'oxygène [8]. Ces phénomènes, mis en évidence sur des matériaux réfractaires, pourraient également se produire lors de la cuisson des produits céramiques. Cette évaluation sera effectuée par comparaison des propriétés à l’échelle macroscopique et microscopique des différentes masses céramiques et émaux traités thermiquement dans un four fonctionnant à l’hydrogène et dans un four électrique ; ces deux catégories de four étant les alternatives envisageables pour une diminution de l’empreinte carbone de l’industrie céramique. L’aboutissement de ces travaux de recherche permettra à terme d’élargir les connaissances et compétences du laboratoire SFC sur les sujets de transition énergétique des industriels du domaine des céramiques. Avec la connaissance des mécanismes entrant en jeu en fonction du mode cuisson bas carbone, il sera possible de fournir des solutions adaptées en fonction de la nature de la masse céramique et/ou de l’émail utilisé par les industriels, de leurs spécificités normatives et de leur process de fabrication. De plus, ce projet contribuera à asseoir l’expertise du laboratoire dans les domaines des analyses des matériaux céramiques et de proposer de nouvelles prestations de conseils (Audit, Essais, Formations) auprès des fabricants et acteurs du secteur. Ainsi, ce projet sera bénéfique pour le développement de la SFC en permettant de mener des actions de diversification de ses activités vers de nouveaux secteurs à haut potentiel, et d’élargir les prestations d’études et de services aux entreprises et les partenariats avec d’autres laboratoires de recherche. Objectifs socioéconomiques et réglementaires Traditionnellement et depuis longtemps maîtrisée, la production de céramique n'a cessé d'évoluer depuis 50 ans (maîtrise des matières premières, formats, cadences et monocuissons accélérées). Cette évolution a jusqu'à présent pérennisé certaines productions en Europe de l'Ouest mais aujourd'hui, le dynamisme du transport, maritime en particulier, fragilise notre industrie face aux pays émergents d'Asie. Ainsi, les matériaux pondéraux nationaux ne sont plus protégés par l'éloignement de leurs concurrents. Seules l'innovation et la création de produits nouveaux à forte technicité sont à même de garantir les productions nationales, à l’instar de l’Italie qui a vu sa production de carreaux augmentée jusqu’en 2017. En France, l’industrie céramique génère 1,4 Md€ de chiffre d’affaire autour de 250 entreprises dont 80 % sont des PME pour 7700 salariés. De plus, l’utilisation du gaz naturel par l’industrie céramique rend le secteur vulnérable aux fluctuations de plus en plus importantes des cours des énergies fossiles, et à l’évolution de la conjoncture internationale qui se dégrade depuis quelques années. Le projet CeraH2 contribuera à l'innovation et la création de nouveaux procédés de fabrication à forte technicité et permettant une plus forte sécurisation des approvisionnements énergétiques pour la production française de céramiques, afin de pérenniser les emplois de la filière, préservant ainsi un savoir-faire national. Dans le cadre d’un déploiement sur le territoire national d’un hydrogène abondant et compétitif sur tous les grands bassins industriels, le remplacement des modes de cuisson des céramiques permettra d’optimiser les coûts de fabrication, améliorant la rentabilité des entreprises du secteur. Objectifs environnementaux L’objectif principal des travaux de recherche dans lequel s’inscrit le projet CeraH2 est de réduire la consommation énergétique et les émissions de GES des process céramiques, par la conversion énergétique des modes de cuisson vers des technologies bas carbones, comme l’hydrogène fabriqué par électrolyse. Ce programme de RDI entre dans le cadre de la volonté gouvernementale de diviser par deux des émissions de l’industrie dans les 10 prochaines années afin d’atteindre l’objectif zéro émission nette en 2050 dans le cadre de la SNBC. De plus, ce programme répond à l’ambition de la France de développement de la filière hydrogène vert comme intrant utilisable en substitution au gaz naturel dans de nombreux procédés industriels énergivores comme le secteur des céramiques. Les cuissons des céramiques sont réalisées dans des fours utilisant principalement du gaz naturel comme combustible, induisant des émissions annuelles importantes de GES de l’ordre de 105 ktCO2/an pour une puissance d’environ 500 GWh/an, issu des résultats du programme DecarboCer. La France bénéficiant d’un mix énergétique qui est déjà fortement décarboné, l’électrolyse permettrait d’émettre seulement entre 2 et 3 tCO2/tH2 [1] lors de sa fabrication pour un pouvoir calorifique inférieur de 33,38 kWh/kgH2. En se basant sur la puissance nécessaire pour la réalisation des cuissons dans le domaine des céramiques et sur la fourchette haute de gaz à effet de serre générés lors de l’électrolyse, la production annuelle nécessaire en hydrogène décarboné serait de l’ordre de 15 kt/an, pour des émissions de GES de 45 ktCO2/an, soit une division par 2,3 des émissions de GES du secteur lors de cette étape du procédé de fabrication. Le développement de modes de cuisson innovants utilisant de l’hydrogène comme combustible permettra d’élargir les prestations d’études et de services de la SFC aux entreprises et aux laboratoires de recherche pour accompagner les industries céramiques vers une diminution de l’empreinte carbone du procédé de fabrication du secteur, tout en en garantissant une conservation de la qualité et des performances des produits finaux.
Bénéficiaire : VILLEROY ET BOCH
Localisation : Paris 10e Arrondissement, Île-de-France, FRANCE
Début : 01/10/2025 — Durée : 36 mois
Budget total : 555079.87 € — Aide ADEME : 275731.59 €
Statut : Suivi du projet