# Analyse du cycle de vie du ciment : revue de littérature sur les principaux facteurs influençant le réchauffement climatique

Hiam Dahanni, Anne Ventura, André Orcesi, Christian Cremona

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Hiam Dahanni, Anne Ventura, André Orcesi, Christian Cremona. Analyse du cycle de vie du ciment : revue de littérature sur les principaux facteurs influençant le réchauffement climatique. Congrès Français du Génie Civil, May 2023, Paris, France. hal-04906154

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# Analyse du cycle de vie du ciment : revue de littérature sur les principaux facteurs influençant le réchauffement climatique

Hiam Dahanni ¹, Anne Ventura¹, André Orcesi¹,², Christian Cremona³

1 Univ Eiffel, Campus de Nantes, MAST-GPEM, Bouguenais, France

2 Cerema, équipe de recherche ENDSUM, DTecITM/DTOA/GITEX, Champs-sur-Marne, France ;
Département MAST-EMGCU, Univ Eiffel, IFSTTAR, Marne-la-Vallée, France

3 Directeur R&D, Département d'ingénierie des matériaux, Bouygues Construction, France

**RESUME** Cet article examine la littérature existante publiée au cours de la dernière décennie sur l'analyse du cycle de vie (ACV) du ciment Portland. Le but de cette revue est d'analyser les principaux facteurs d'influence du processus de fabrication du ciment sur le potentiel de réchauffement global pour évaluer si et comment les stratégies d'amélioration peuvent se traduire par des diminutions d'impacts environnementaux dans les ACV des ciments. L'article montre que l'Unité Fonctionnelle (UF) du ciment est rarement explicitée, ni distinguée du Flux de Référence (FR), c'est-à-dire de la quantité de ciment nécessaire pour obtenir une performance de résistance donnée d'un béton. La classe de résistance du ciment apparaît comme la fonctionnalité la plus citée par les auteurs, mais sans relation précise entre cette grandeur et la valeur du FR. La contribution majeure au changement climatique dans le processus de fabrication du ciment est l'énergie utilisée pour la calcination. L'énergie nécessaire au broyage pour obtenir une classe de ciment supérieure susceptible de diminuer la valeur du FR, apparaît beaucoup moins importante que celle nécessaire à la calcination, mais aucune relation ne permet de relier clairement la finesse du ciment à la quantité d'énergie de broyage. Cependant, au vu des ordres de grandeur obtenus, on peut s'attendre à ce que l'augmentation de l'énergie de broyage pour améliorer la classe de résistance du ciment, provoque peu d'augmentation d'impacts par rapport au bénéfices environnementaux que l'on pourrait obtenir en réduisant la quantité d'un ciment de meilleure qualité (pour une même performance de béton). Il apparaît nécessaire de pouvoir modéliser un procédé de cimenterie pour rendre compte de ces différents choix possibles pour pouvoir rendre compte de leurs conséquences environnementales. La revue de littérature sera poursuivie en intégrant l'utilisation d'additions minérales.

**Mots-clefs** : ciment, Analyse du Cycle de Vie, impact environnemental
# I. INTRODUCTION

La fabrication de ciment est l'un des principaux contributeurs aux émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES) (Ali et al., 2015; CEMBUREAU (The European Cement Association), 2021; Zhang et al., 2014). Différentes opérations du processus de production de ciment sont responsables de GES, et les quantités de GES émises peuvent donc varier d'un processus à l'autre. La FIGURE 1 décrit les principales opérations impliquées dans la production de ciment, dont voici la description ci-dessous.

* L'opération de préparation des matières premières comprend le concassage, le pré-mélange et l'homogénéisation, du calcaire et de l'argile, ainsi que d'autres matériaux sélectionnés pour obtenir la taille des particules et la composition chimique souhaitées. Au cours de cette opération, le concassage et le broyage nécessitent une consommation d'énergie importante qui contribue aux émissions de GES (Chatterjee, 2018 ; Kermeli et al., 2016) en fonction du mix énergétique ;

* L'opération de clinkérisation comprend la cuisson du cru précédemment préparé à très haute température dans un four rotatif. Cette opération de calcination (le produit résultant étant le clinker) est phase très énergivore de la production de ciment car elle nécessite des températures élevées, a recours à des carburants souvent d'origine fossile, pour atteindre la chaleur nécessaire. Les émissions de GES sont donc dues à la fois à la combustion des combustibles fossiles, ainsi qu'à la décarbonatation du calcaire qui est une réaction chimique émettant du $CO_2$ lors de la calcination $CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$ (Chatterjee, 2018 ; Worrell et al., 2001).

Des stratégies prospectives ont été identifiées dans la littérature pour diminuer les émissions de GES de l'industrie cimentière. Par exemple, (Cao, 2021) a présenté diverses stratégies telles que : diminuer la consommation d'énergie en augmentant l'efficacité énergétique ou en réduisant la température de calcination, remplacer les énergies fossiles par des énergies renouvelables, mettre en œuvre des technologies de capture du carbone, et diminuer la quantité de clinker en le remplaçant par plus d'additions. La mise en œuvre de ces stratégies vise à obtenir des ciments avec des impacts plus faibles sur le réchauffement climatique (Cao, 2021).

Cependant, pour être évaluées, ces stratégies d'atténuation doivent être traduites à l'échelle du produit, sur les Analyses de Cycle de Vie (ACV) des nouveaux ciments élaborés avec ces améliorations industrielles.
<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>FIGURE 1: Schéma général représentant les principales phases du processus de fabrication du ciment, les consommations énergétiques et les émissions de GES</figcaption></figure>

Dans cet article, une revue de la littérature est menée sur les ACV du Ciment Portland Ordinaire pour identifier si et comment les changements stratégiques de l'industrie du ciment peuvent être considérés et modélisés. Cet article ne considère que le Ciment Portland Ordinaire, la considération d'ajouts d'additions minérales est prévue ultérieurement dans une analyse de littérature plus large. Dans un premier temps, les performances possibles des ciments sont analysées, afin d'obtenir une meilleure compréhension des différences fonctionnelles entre les différents ciments. En effet, un changement de finesse du ciment modifie ses propriétés. Ainsi, plus ou moins de ciment peut être nécessaire pour un usage donné à l'intérieur du béton. Réduire ou augmenter le dosage de ciment modifiera bien sûr les impacts environnementaux du béton. Une réflexion sur l'Unité Fonctionnelle (UF) du ciment est indispensable ainsi qu'une méthode de calcul du flux de référence (FR) correspondant.

On étudie ensuite dans les diverses sources examinées, comment les facteurs censés avoir les plus forts impacts en termes d'émissions de GES (représentés par des flèches vertes sur la FIGURE 1) sont pris en compte et quels sont leurs ordres de grandeurs respectifs, que nous exprimerons en termes d'équivalent CO₂ selon l'indicateur de potentiel de réchauffement global (PRG).

Les différentes sources de GES résultantes seront examinées : les émissions de GES en fonction de la consommation d'électricité pour les procédés de concassage et l'influence de son mix de production (GES A sur la FIGURE 1), les émissions de GES du mix combustible utilisé pour la combustion lors de la calcination (GES B sur la FIGURE 1) et le CO₂ émis par la décarbonatation des carbonates lors de la calcination (CO₂ ch sur la FIGURE 1).

## II. MÉTHODE

### A. Sélection de références

La revue de la littérature se concentre sur les études ACV publiées au cours de la dernière décennie (2012-2022). Différentes bases de données scientifiques en ligne ont été utilisées, telles que Google Scholar, Science Direct et Refseek. La sélection des articles s'est basée sur les mots-clés suivants : (Analyse du Cycle de Vie OU impact environnemental), ET (ciment). Une collection de 20 références
a été obtenue, parmi lesquels les 17 références sont des articles de revues, 1 article de conférence et 2 sont des rapports.

Pour chaque référence, les informations suivantes ont été extraites :

* Description du flux de référence (FR) et de l'unité fonctionnelle (UF);

* Potentiel de réchauffement global (PRG) pour les résultats à horizon temporel de 100 ans de la production de ciment;

* Quantité de flux d'énergie opérationnelle (électricité pour la préparation et le broyage, énergie pour la calcination);

* Considération des phases du cycle de vie (du berceau à la porte ou du berceau à la tombe);

* Pays de production de ciment.

Les références examinées ont été filtrées en ne gardant que celles fournissant un résultat concernant l'indicateur PRG pour le ciment (chaque référence fournissant éventuellement plusieurs données correspondant à plusieurs études de cas).

Nous avons finalement obtenu 82 données de sur la production de ciment au sein d'un total de 14 références (Ecoinvent et al., 2007; Feiz et al., 2015; García-Gusano et al., 2015; Hilton et al., 2019; Hossain et al., 2017; Li et al., 2015; Meshram et Kumar, 2022; Nguyen et al., 2018; Saade et al., 2015a; Sabbie A. Miller Rupert, 2020; Gutiérrez et al., 2017a; Teh et al., 2017; Grant et Sharma, 2015; Tosti et al., 2020). Il y a 20 données pour OPC sans additions qui sont celles considérées ci-après (Ecoinvent et al., 2007; Feiz et al., 2015; García-Gusano et al., 2015; C. Li et al., 2015; Sagastume Gutiérrez et al., 2017; Teh et al., 2017; Grant et Sharma, 2015).

## B. Calculs des flux d'énergie pour la production de ciment à partir de données de référence

La quantité d'énergie 1 (voir FIGURE 1), est obtenue différemment selon les références. Pour les données issues de la base de données (Ecoinvent, 2020), le concassage primaire des constituants du clinker n'est pas modélisé dans le processus unitaire de clinkérisation, mais dans des processus unitaires distincts correspondant à la production de calcaire broyé et de marne calcaire (c'est-à-dire production de calcaire, broyé pour le broyeur, production de calcaire, broyé, lavé). Ainsi, le procédé unitaire de clinkérisation fournit la quantité d'électricité nécessaire à la préparation du mélange (à l'exclusion du concassage primaire) et est présenté dans le Tableau 1. Pour les autres références, la quantité d'énergie pour le broyage primaire est fournie (García-Gusano et al., 2015; Hossain et al., 2017; Nguyen et al., 2018; Grant et Sharma, 2015) et est directement donnée dans le Tableau 1.

La quantité d'énergie 2 (voir FIGURE 1) été obtenue à partir du procédé unitaire de la cimenterie dans les bases de données Ecoinvent (Ecoinvent, 2020; Ecoinvent, 2007) et elle est aussi fournie directement pour d'autres références (García-Gusano et al., 2015; Hossain et al., 2017; Grant et Sharma, 2015). (Li et al., 2015) ont fourni la somme de l'énergie électrique (énergie 1+2).

La quantité d'énergie 3 (voir FIGURE 1) a été obtenue à partir de la quantité de combustibles de chauffage pour la production de 1 kg de clinker telle que fournie par la base de données Ecoinvent (Ecoinvent, 2020) et par (Grant et Sharma, 2015). Dans la base de données Ecoinvent (Ecoinvent, 2020), l'énergie totale de chauffage est calculée en multipliant les quantités de chaque combustible par leur capacité calorifique (Ecoinvent, 2007). (García-Gusano et al., 2015) fournissent les quantités de combustibles fossiles et de combustibles alternatifs exprimées en unités d'énergie. Dans l'étude
de (Li et al., 2015), la combustion du charbon pour l'incinération et l'énergie thermique pour obtenir l'énergie de chauffage totale sont également incluses. La valeur du flux énergie 3 est aussi directement fournie pour d'autres les références (Feiz et al., 2015; Nguyen et al., 2018).

### C. Calculs de GES pour la production de ciment à partir de données de référence

Les GES A sont obtenus à partir de la base de données (Ecoinvent, 2020) en calculant la contribution de la consommation d'électricité au PRG total du ciment. Certaines références ne fournissent que les émissions résultant du processus de broyage final (Ecoinvent, 2020), d'autres références spécifient les deux (García-Gusano et al., 2015) tandis que certaines ne donnent aucun détail sur ces émissions (Meshram et Kumar, 2022; Nguyen et al., 2018; Li et al., 2015).

Les GES B sont estimés à partir des quantités de chaque composant du mix énergétique multipliées par ses émissions de CO₂ eq résultant de sa combustion. Ceci est calculé à partir de la teneur en carbone de 1 kg de carburant dans la base de données (Ecoinvent, 2007), ce qui induit que les combustibles fossiles sont supposés brûler selon une réaction de combustion complète.

Les émissions chimiques de CO₂ de la réaction de décarbonatation du procédé de calcination (CO₂ ch sur la FIGURE 1) sont pour presque la totalité des références, directement données et reportées dans le Tableau 1. Pour les données ecoinvent, elles sont calculées à partir de la soustraction de GES B au PRG total de la production de clinker pour la base de données (Ecoinvent, 2020) et reporté dans le Tableau 1.

Nous avons vérifié les valeurs fournies dans ces références, en calculant la quantité de CO₂ ch par kg de ciment, à partir de la fraction massique de CaO présente dans le ciment par les équations (1) et (2).

La quantité d'émissions de CO₂ générée par la décarbonatation du calcaire est un élément clé de la production de ciment. Étant donné que le calcaire est une matière première primaire dans la production de clinker, les impuretés présentes dans le calcaire peuvent avoir un impact significatif sur le produit final. Par conséquent, il peut être difficile de déterminer les quantités exactes de chaque matière première utilisée dans la production de clinker, car elles peuvent varier en fonction de la source spécifique des matières premières et du processus de fabrication utilisé.

Les émissions de CO₂ ch proviennent principalement de la calcination du calcaire (voir l'équation chimique au Paragraphe I).

Pour estimer la gamme de variation des émissions de CO₂ ch, nous nous basons sur la méthode de niveau 2 indiquée dans les lignes directrices du GIEC (IPCC, 2006). Dans cette méthode, la valeur est calculée en fonction de la fraction de chaux selon les équations suivantes.

$$CO_{2\text{ ch}} = f_{\frac{\text{ca}\text{o}}{\text{clinker}}} * f_{\frac{\text{clinker}}{\text{ciment}}} * \frac{\text{Masse molaire de CO}_2}{\text{Masse molaire de CaO}} \quad (1)$$

$$CO_{2\text{ ch}} = f_{\frac{\text{ca}\text{o}}{\text{ciment}}} * \frac{\text{Masse molaire de CO}_2}{\text{Masse molaire de CaO}} \quad (2)$$

Avec CO₂ ch la quantité de CO₂ émise en kg/kg ciment, fcao/clinker la fraction de chaux dans le clinker et fcao/cement la fraction de chaux dans le ciment.
La quantité moyenne de CaO dans le clinker peut varier en fonction des matières premières spécifiques utilisées et du processus de fabrication employé. La norme (EN 197-1, 2011) relative à la classification du ciment, CEM I, indique une quantité minimale admissible de CaO en imposant deux conditions :

- la somme en pourcentage de SiO₂ et de CaO doit être d'au moins 50% de la masse du ciment,

- la quantité maximale possible de SiO₂ est limitée à la moitié de celle en CaO.

En veillant à ce que ces deux conditions soient remplies, il est possible d'obtenir une valeur minimale de CaO de 33,3 %. Cette quantité minimale aboutit à une valeur de CO₂ ch minimale de 0,26 kg CO₂/kg ciment CEM I. La valeur maximale est calculée en supposant un calcaire sans impureté et 95% de clinker dans le ciment, ce qui donne une valeur de CO₂ ch de 0,60 CO₂ ch/kg ciment. L'intervalle de variation admissible de CO₂ ch se situe donc entre 0,26 et 0,60 kg CO₂ ch/kg ciment.

Toutefois, dans la pratique, il n'est généralement pas courant de trouver ces quantités de CaO dans le clinker. En général, la concentration de CaO dans le clinker se situe entre 60 et 67 % (Ecoinvent et al., 2007), ce qui est cohérent avec la méthode de niveau 1 du GIEC (IPCC, 2006) qui donne un facteur d'émission par défaut de 0,51 kg de CO₂/kg de clinker, calculé sur la base d'une fraction moyenne de chaux de 64,6 % dans le clinker.

### III. RÉSULTATS

#### A. Flux de référence et unité fonctionnelle

En ACV, la définition d'une Unité Fonctionnelle (UF) et d'un Flux de Référence (FR) est une étape importante (Gutiérrez et al., 2017). Il est en effet crucial de préciser les UF équivalentes entre les produits lors de la réalisation d'études comparatives.

Une UF est une description quantifiée de la performance du produit. Certaines de ces propriétés peuvent être liées aux performances qui servent les besoins primaires de l'utilisateur. La demande du marché où le produit sera fourni détermine en fin de compte ses caractéristiques (Weidema et al., 2004). Certains marchés sont soumis à des normes produits qui spécifient les performances des produits et peuvent servir à identifier et définir les fonctionnalités des produits.

Le FR est défini comme la quantité de produit(s) nécessaire pour fournir les performances spécifiées par l'UF (ISO 14040, 2006). Le FR considère la performance ou la fonctionnalité souhaitée spécifiée par l'UF et traduit cette dernière en un flux de produit spécifique (Cooper, 2003 ; Weidema et al., 2004).

Examinons comment les auteurs définissent UF et FR pour le ciment à partir de la revue de la littérature.

Dans leur étude, (Saade et al., 2015) ont comparé plusieurs ciments mélangés en utilisant trois quantités différentes de laitier de haut fourneau (GGBS) et ont défini l'UF comme une tonne de ciment. Dans leur travail, les types de ciment ont été définis selon les normes brésiliennes (NBR 11578, 1991) avec une classe de résistance identique de 32 MPa.

Une autre étude (Meshram et Kumar., 2022) compare un liant géopolymère avec divers autres ciments avec des conceptions de mélange différentes telles que définies à partir des normes
indiennes : ciment Portland ordinaire (OPC) (IS 12269, 1987), ciment Portland pouzzolane (PPC) (IS 1489-1, 1991) et ciment de laitier Portland (PSC) (IS 455, 1989). Ces normes décrivent les trois types de ciment étudiés dans leurs travaux. Les auteurs ne précisent pas quelles classes de résistance des ciments ont été considérées, mais ils précisent certaines propriétés du liant géopolymère (le temps de prise, la solidité, le retrait/dilatation et la résistance). La résistance du liant géopolymère atteinte après 28 jours étant de 43 MPa, on peut donc supposer que les autres ciments avaient la même résistance de 43 MPa et que leur comparaison selon des FR identiques serait justifiée dans ce cas.

(Teh et al., 2017) ont comparé l'intensité des empreintes carbone d'un kg d'OPC différents mais sans définir les caractéristiques de ces OPC.

(Li et al., 2015) ont considéré un ciment de référence avec une classe de résistance de 42,5 MPa, auquel ils comparent d'autres ciments ayant des classes de résistance différentes. Ils suggèrent, pour comparer ces ciments, d'utiliser ce qu'ils appellent un «rapport de résistance», cf. Équation (3), à multiplier aux impacts environnementaux d'une unité de masse de ciment, afin de les modifier en fonction du degré de résistance selon une norme chinoise de la consommation d'énergie par produit unitaire de ciment (GB 16780, 2021). Ils définissent le rapport de résistance comme suit :

$$ \text{Ratio de résistance} = \sqrt{\frac{\text{Classe de résistance du ciment étudié [MPa]}}{\text{Classe de résistance de référence [MPa]}}} \quad (3) $$

Bien que les auteurs n'évoquent pas la notion d'UF, l'utilisation du rapport de résistance comme coefficient multiplicatif appliqué aux indicateurs selon la classe de résistance du ciment, revient à modifier la valeur du FR selon cette même classe de résistance. Cependant, la relation dans l'Équation (3) n'est pas expliquée.

Il ressort de cette revue que le concept d'UF n'est actuellement pas appréhendé par la plupart des études ACV examinées. Il y a généralement un manque d'informations concernant les performances ou la fonctionnalité du ciment. De nombreuses références ne mentionnent pas d'UF. Beaucoup d'autres définissent une quantité unitaire de masse comme base de comparaison et la nomment UF, alors qu'il s'agit en fait d'un FR, car les caractéristiques du ciment ne sont ni équivalentes ni décrites.

Lorsque qu'une UF est spécifiée que la classe de résistance est la caractéristique du ciment la plus couramment choisie pour définir un UF par les auteurs qui s'intéressent aux performances du ciment. C'est la performance la plus fréquemment citée (Hossain et al., 2017; Nguyen et al., 2018; Gutiérrez et al., 2017). D'après les articles examinés jusqu'à présent, l'Équation (3) est la seule relation qui a été fournie pour calculer les FR (c'est-à-dire les quantités comparables de ciments) selon différentes classes de résistance du ciment. Cependant, il y a un manque d'informations concernant l'Équation (3) en termes de justification scientifique. La norme chinoise à laquelle les auteurs font référence (GB 16780, 2021) montre que ce ratio ne concerne que la consommation énergétique de l'opération de broyage de finition exprimée en fonction de la finesse du ciment, et avec une expression légèrement différente : cette norme n'utilise pas une racine carrée mais une racine 4ème. Nous considérons que cette loi ne peut pas être appliquée au lien entre UF (définie en
tant que classe de résistance) et FR pour plusieurs raisons. Tout d'abord, le ratio ne s'applique qu'au flux d'entrée d'énergie intermédiaire de l'opération de broyage concernée (c'est-à-dire l'énergie 2 dans l'Équation (3) et n'a donc aucune raison d'être proportionnel à tous les flux et impacts de l'ensemble de la cimenterie. En effet, ce flux énergétique n'est responsable que des émissions de GES résultant de l'opération de broyage et non des émissions totales de la cimenterie. De plus, la norme ne justifie pas non plus scientifiquement cette expression.

Dans la norme (EN 197-1, 2011), la classe de résistance du ciment se caractérise par la mesure de sa résistance en MPa à 28 jours qui doit être au moins égale à la valeur de la classe visée (32,5 ou 42,5 ou 52,5 MPa en France couramment). Elle se caractérise également par sa vitesse d'hydratation (faible, normale ou rapide). Ces deux facteurs influenceront en partie le durcissement et la résistance finale du béton, et éventuellement sa durabilité. Ainsi, à partir d'une valeur de résistance de béton souhaitée, différentes quantités de ciments seront nécessaires si ceux-ci ont des classes de résistance différentes, ce qui correspond à la valeur du FR en supposant que l'UF du ciment est sa résistance à 28 jours. En pratique, les différentes classes de ciment servent à différents usages, la classe 52,5 est utilisée pour le béton à haute performance tandis que les autres classes servent en maçonnerie. Cependant, la valeur de la résistance du ciment n'étant pas égale à celle de sa classe de résistance, on pourrait utiliser des quantités différentes de ciments au sein d'une même classe de résistance. Ainsi la résistance du ciment, et non pas sa classe pourrait être une UF pertinente.

Cependant, la résistance du ciment n'est pas sa seule propriété physique. D'autres propriétés telles que sa chaleur d'hydratation, sa solidité, sa consistance, sa perte au feu, sa densité apparente et sa gravité spécifique sont des caractéristiques importantes dans certains usages (Mukarjee, 2012 ; Snelson et al., 2011).

Bien spécifier l'UF du ciment est donc un enjeu important de l'ACV du ciment, car cela est susceptible de changer ses constituants et ses procédés de fabrication :

- la nature et la quantité de ses constituants, tels que l'aluminate tricalcique, le silicate tricalcique, le silicate dicalcique, la ferrite, la magnésie, le trioxyde de soufre, l'oxyde de fer, les alcalis, la chaux libre, la fumée de silice et l'alumine, influencent les propriétés chimiques (Ogunyemi et al., 2019).

- Dans la cimenterie, avec la quantité de gypse, le type et la durée du procédé de broyage (et donc sa consommation d'énergie) influencent la classe de résistance du ciment, qui dépend fortement de la qualité du mélange « argile/calcaire ».

Dans la suite, nous allons comparer les PRG de différents ciments sur la base de FR = 1 kg, car nous manquons d'informations pour préciser les caractéristiques de ces ciments, et parce que nous ne sommes pas en mesure de calculer les FR à partir des UF même si les auteurs précisent un degré de résistance.

## B. Facteurs d'influence de la production du ciment Portland sur l'indicateur de changement climatique

Les quantités de flux intermédiaires d'énergie de fonctionnement (nommées énergie 1, 2 et 3 sur la FIGURE 1 ainsi que les PRG et le CO₂ (nommés GES A, GES B et CO₂ ch sur la FIGURE 1) issus de la fabrication du ciment sans ajouts ont été collectés et /ou calculés à partir de nos données pour différents pays comme expliqué dans la section méthode.
La quantité d'électricité pour la préparation de la matière première (énergie 1 dans Tableau 1) varie de 0,19 à 0,95 MJ/kg de ciment Portland (nous considérons la valeur 0,00016 comme une valeur aberrante) et la quantité d'électricité pour le broyage de finition Portland (énergie 2 dans Tableau 1) varie de 0,11 à 0,57 MJ/kg de ciment Portland. On peut remarquer qu'il y a une dispersion importante des valeurs requises pour le concassage primaire et le broyage final. L'énergie nécessaire à la préparation de la matière première semble être la plus importante dans la plupart des cas d'étude (Hossain et al., 2017 ; Grant, 2015) ; cependant, elle est plus faible dans d'autres études. Cela peut dépendre des processus utilisés dans l'étape de préparation des matières premières. Par exemple, (Nguyen et al., 2018) ont utilisé l'élutriation qui est basée sur la séparation des particules en fonction de leur taille, forme, densité, etc., ce qui peut entraîner une énergie de broyage primaire plus faible.

L'énergie électrique pour le broyage du ciment (énergie 2) ne peut pas être facilement liée à la finesse du ciment, en raison du manque de données. (Li et al., 2015 ; Hossain et al., 2017) ont spécifié la finesse du ciment et réalisé leurs études de cas en Chine, et ils fournissent une valeur accrue de la quantité d'électricité nécessaire au broyage final avec l'augmentation de la classe de résistance sans toutefois cette relation soit validée. (Nguyen et al., 2018) ont réalisé une étude aux États-Unis dans laquelle ils ont considéré une valeur de finesse proche de celle définie dans les travaux de (Hossain et al., 2017). La classe de résistance de 52,5 MPa définie par (Hossain et al., 2017) nécessitait une énergie proche mais légèrement inférieure pour le broyage final par rapport à l'énergie spécifiée par (Nguyen et al., 2018). Dans la base de données (Ecoinvent, 2020), il n'y a pas de modèle précisant si la finesse du ciment est prise en compte ou non. Cependant, l'énergie de broyage est différente pour chacune des références étudiées, ce qui pourrait être lié aux différentes classes de résistance du ciment pouvant être produites ainsi qu'à la nature de l'installation (données collectées sur différents sites). La version de la base de données plus ancienne (Ecoivent, 2007) distingue l'énergie nécessaire au broyage du clinker pour les deux classes de résistance 42,5 et 52,5 MPa avec une légère augmentation de la consommation d'énergie. Finalement, nous ne disposons pas d'assez de données pour fiabiliser une valeur d'énergie de broyage ni une relation fiable entre finesse et énergie. Même s'il est intuitif qu'une plus grande finesse nécessite un temps de broyage plus élevé et donc une plus grande consommation d'énergie, d'autres facteurs tels que la nature du broyeur, le type de matériau (nature morphologique), le facteur d'efficacité de l'installation de broyage peuvent également être influents.
<table><caption>**Tableau 1 :** Flux intermédiaires d'énergie opérationnelle et GES A, GES B et CO₂ ch pour les processus de production du ciment pour 1 kg de ciment Portland</caption><thead><tr><th rowspan="2">Unité</th><th rowspan="2"></th><th rowspan="2">Pays</th><th rowspan="2">Ciments classe de résistance</th><th colspan="3">Électricité pour la préparation des matières premières</th><th rowspan="2">Chauffage énergie pour la calcination</th><th colspan="4">PRG de l' électricité</th></tr><tr><th colspan="3">Électricité pour la finition affûtage</th><th>CO₂ estimé de la réaction de décarbanatation</th><th>PRG estimé à partir de la combustion de</th><th>PRG total</th></tr><tr><th colspan="2">Flux dans la FIGURE 1</th><th colspan="2">[MPa]</th><th colspan="3">[MJ/kg de ciment Portland]</th><th colspan="4">[kg CO₂ eq/kg de ciment Portland]</th></tr><tr><th colspan="2">Référence</th><th></th><th></th><th colspan="3">Énergie</th><th>GES A</th><th>CO₂ ch</th><th>GES B</th><th>GES</th></tr><tr><th colspan="2"></th><th></th><th></th><th>Énergie 1</th><th>Énergie 2</th><th>Énergie 3</th><th></th><th></th><th></th><th></th></tr></thead><tbody><tr><td>(Ecoivent,2020)</td><td>CA</td><td>NS</td><td>0,36</td><td>0,20</td><td>3,58</td><td>NS</td><td>0,37</td><td>0,41</td><td>0,84</td></tr><tr><td>(Ecoivent,2020)</td><td>RER</td><td>NS</td><td>0,32</td><td>0,14</td><td>2,10</td><td>0,047</td><td>0,56</td><td>0,20</td><td>0,86</td></tr><tr><td>(Ecoivent,2020)</td><td>CH</td><td>NS</td><td>0,45</td><td>0,16</td><td>1,34</td><td>NS</td><td>0,56</td><td>0,15</td><td>0,75</td></tr><tr><td>(Ecoivent,2020)</td><td>PE</td><td>NS</td><td>0,28</td><td>0,13</td><td>3,38</td><td>NS</td><td>0,44</td><td>0,38</td><td>0,88</td></tr><tr><td>(Ecoivent,2020)</td><td>BR</td><td>NS</td><td>0,25</td><td>0,18</td><td>1,99</td><td>NS</td><td>0,44</td><td>0,30</td><td>0,84</td></tr><tr><td>(Ecoivent,2020)</td><td>USA</td><td>NS</td><td>0,29</td><td>0,20</td><td>2,10</td><td>0,068</td><td>0,57</td><td>0,19</td><td>0,88</td></tr><tr><td>(Ecoivent,2020)</td><td>ZA</td><td>NS</td><td>0,46</td><td>0,134</td><td>3,85</td><td>0,18</td><td>0,35</td><td>0,41</td><td>1,00</td></tr><tr><td>(Ecoivent,2020)</td><td>IN</td><td>NS</td><td>0,19</td><td>0,11</td><td>3,09</td><td>0,11</td><td>0,36</td><td>0,36</td><td>0,89</td></tr><tr><td>(Grant,2015)</td><td>AU</td><td>NS</td><td>0,22</td><td>0,14</td><td>4,40</td><td>NS</td><td>0,52</td><td>0,30</td><td>0,97</td></tr><tr><td>(Feiz et al., 2015)</td><td>DE</td><td>4,5</td><td>NS</td><td>NS</td><td>3,52</td><td>NS</td><td>0,49</td><td>0,18</td><td>0,779</td></tr><tr><td>(Li et al., 2015)</td><td>CN</td><td>42,5</td><td>0,14<sup>1</sup></td><td>NS</td><td>5,31<sup>2</sup></td><td>NS</td><td>0,51</td><td>0,24</td><td>0,80</td></tr><tr><td>(García-Gusano et al., 2015)</td><td>ESP</td><td>NS</td><td>0,33</td><td>0,14</td><td>3,53</td><td>NS</td><td>0,52</td><td>0,39</td><td>0,80</td></tr><tr><td>(Hossain et al., 2017)</td><td>CN</td><td>52,5</td><td>0,95</td><td>0,57</td><td>NS</td><td>0,081</td><td>0,51</td><td>0,31</td><td>0,98</td></tr><tr><td>(Teh et al., 2017)</td><td>AU</td><td>NS</td><td>NS</td><td>NS</td><td>NS</td><td>0,10<sup>3</sup></td><td>NS</td><td>NS</td><td>1,3</td></tr><tr><td>(Nguyen et al., 2018)</td><td>USA</td><td>50</td><td>0,00016</td><td>0,56</td><td>4,7</td><td>NS</td><td>NS</td><td>NS</td><td>0,99</td></tr><tr><td>(Meshram et Kumar, 2022)</td><td>IN</td><td>NS</td><td>NS</td><td>NS</td><td>NS</td><td>NS</td><td>NS</td><td>NS</td><td>NS</td></tr><tr><td>(Ecoivent,2007)</td><td>CH</td><td>42,5</td><td>0,19</td><td>0,11</td><td>2,0</td><td>NS</td><td>NS</td><td>0,19</td><td>NS</td></tr><tr><td>(Ecoivent,2007)</td><td>CH</td><td>52,5</td><td>0,19</td><td>0,17</td><td>2,0</td><td>NS</td><td>NS</td><td>0,19</td><td>NS</td></tr></tbody></table>

L'énergie de chauffage est également trouvée assez variable parmi les données recueillies dans le Tableau 1 de 1,34 à 5,31 MJ/kg de ciment Portland. Cette énergie dépend fortement du type de technologie (calcination humide ou sèche) : la quantité d'eau à l'intérieur du cru (mélange de calcaire et d'argile) influence la quantité d'énergie nécessaire pour le sécher et le calciner.

Comme l'indique le Tableau 1, la fourchette estimée des émissions est importante, avec des valeurs allant de 0,35 à 0,57 kg de CO₂/kg de ciment Portland. Selon les données présentées dans le Tableau 1, (Ecoinvent, 2020 CA, ZA, PE, BR & IN) ne fournit pas la quantité exacte de CaO. En se basant sur l'équation (2), on peut déterminer une gamme de CaO entre 45% et 56%. En règle générale, cette

<footnote n="1">1 L'énergie fournie est égale à l'énergie de l'incinération du charbon et à l'énergie thermique</footnote>

<footnote n="2">2 La valeur est estimée à partir du bargraphe fourni dans le référentiel</footnote>

<footnote n="3">3 La valeur est estimée à partir du graphique à barres fourni dans la référence.</footnote>
fourchette est inférieure à la fourchette standard de 60-67 %, ce qui peut être attribué à la transformation incomplète de CaCO₃ en CaO. De même, nous pouvons obtenir la gamme de CaO dans Ecoinvent, 2020 RER, CH, & USA) en se basant sur l'équation (2). La quantité de CaO se situe entre 71 et 73 %, ce qui est généralement plus élevé que la fourchette typique, ce qui pourrait être dû à la variation de la composition de la farine brute. Les études menées par (Feiz et al., 2015), (García-Gusano et al., 2015) et (Hossain et al., 2017) obtiennent respectivement 0,54 kg de CO₂ ch/kg de clinker, 0,53 kg de CO₂ ch/kg de clinker et 0,55 kg de CO₂ ch/kg de clinker. Ces valeurs ont ensuite été multipliées par la quantité de clinker utilisée dans le ciment et reportées dans le Tableau 1, qui est cohérent avec l'intervalle estimé dans la partie méthodologique.

## II. CONCLUSION

Cette revue de la littérature a montré que la question des fonctionnalités des ciments n'est pas suffisamment abordée. La classe de résistance semble la propriété la plus utilisée dans la littérature pour exprimer la fonctionnalité du ciment mais aucune relation scientifiquement validée n'est fournie dans les références examinées, pour calculer le flux de référence selon différentes classes de résistance.

Nos résultats montrent que la quantité d'énergie électrique requise pour le broyage est généralement inférieure à celle requise pour la calcination par la combustion de combustibles fossiles dans le processus de clinkérisation. On peut suspecter une relation directe entre l'augmentation de la finesse du ciment et l'énergie électrique pour le broyage, mais les données disponibles ne permettent pas de dégager une valeur fiable ni une relation claire. Les valeurs des quantités d'énergie pour le broyage sont dispersées et peuvent être affectées par d'autres facteurs tels que le type de broyeur, la nature de la matière première et l'efficacité de l'installation de broyage. Cependant, les ordres de grandeurs des consommations d'énergie peuvent laisser penser que la production d'un ciment avec une finesse plus élevée, n'entraînerait pas d'impacts significativement plus élevés sur l'environnement, alors qu'elle pourrait conduire à des quantités de ciment moindres pour des performances mécaniques de béton identiques. Cet aspect mérite d'être approfondi en explorant les modèles de consommation d'énergie de broyage pour pouvoir exprimer une énergie consommée en fonction de la finesse (et donc de la classe de résistance) du ciment produit. Enfin, les émissions liées à la calcination pourraient être facilement estimées à partir de la teneur en calcaire de la matière première. Globalement, une modélisation simplifiée de la cimenterie sur ces bases, permettrait de simuler et d'intégrer dans les ACV du ciment, différentes mesures prises par l'industrie cimentière pour réduire son empreinte carbone.

Cette analyse bibliographique s'est uniquement concentrée sur le ciment Portland, et il convient de pouvoir l'étendre aux ciments avec additions minérales. Pour bien prendre en compte les apports des futures stratégies de réduction des GES de l'industrie cimentière dans les ACV des ciments, il est nécessaire de pouvoir exprimer un flux de référence en fonction de la classe de résistance du ciment, pour le ciment Portland Ordinaire mais également pour les ciments avec additions.
## REMERCIEMENTS

Cette recherche a été entièrement financée par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre du projet ANR-20-CE22-0008-01 DEMCOM

## RÉFÉRENCES

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