Éthylène-chlore, un couple pour le plastique… et sa décarbonation

Un des plans de transition sectoriels (PTS) de l’Ademe couple exceptionnellement deux filières industrielles : celles du chlore et de l’éthylène. Et pour cause, si les deux ont des procédés de production complètement différents, leurs produits se retrouvent et se complètent pour la fabrication de plastiques (voir schéma ci-dessous). Décarboner ces filières repose sur des choix technologiques mais surtout sur la façon dont le marché va évoluer d’ici 2050, sous l’influence d’une forte concurrence internationale, du développement du recyclage et des réglementations sur l’économie circulaire.

Plus de 4,5 Mt de polymères sont produits en France (référence 2019) par une douzaine d’industriels. Cinq d’entre eux réalisent le vapocraquage du naphta et du GPL issus du raffinage du pétrole, pour fabriquer des produits plus légers dont les oléfines (éthylène, propylène, butadiène, etc. et de polymères). Les autres assurent la production de chlore et de PVC, dont deux d’entre eux avec plus de 80 % des capacités, à partir d’électrolyse de la saumure.

La production de chlore s’élève à 1 Mt/an à laquelle s’ajoutent 900 000 tonnes de CVM. Elle est électro-intensive, avec 4 TWh d’électricité consommée par an, et est responsable de l’émission de 1 Mt CO₂eq/an. La production d’oléfines est en moyenne de 5,8 Mt de HVC par an, alimentée chaque année par 26 TWh d’intrants fossiles (dont 4,5 Mt de naphta). Elle est beaucoup plus émettrice de gaz à effet de serre, avec 5,3 MtCO₂eq/an.

Mondialisation ou protectionnisme ?

Comme dans les autres PTS, et selon la méthode qu’elle a élaborée, l’Ademe a construit plusieurs scénarios de décarbonation pour voir s’ils atteignent a minima l’objectif de baisse des émissions de gaz à effet de serre de – 81 % pour l’industrie de la précédente Stratégie nationale bas-carbone (SNBC). Dans tous les cas, la tendance est à la baisse de consommation de plastiques, mais celle-ci diffère selon les scénarios et les types de polymères (voir tableau en fin d’article).

Le premier scénario, « Pétrochimie et mondialisation », décrit une poursuite de la tendance actuelle vers une concurrence très forte des pays hors Europe. La France voit ses exportations chuter et ses importations augmenter, d’où une baisse importante de la production d’éthylène et de chlore. Sobriété et économie circulaire ont une faible place mais la consommation des plastiques diminue, surtout le polyéthylène (- 62 % entre 2015 et 2050) concerné par la limitation des plastiques à usages unique (PUU) dans l’Hexagone.

Des mesures d’efficacité énergétique et de changement du mix énergétique (recompression mécanique de vapeur – RMV, chaudières électrique et biomasse, hydrogène) permettent de faire baisser les émissions de GES de la filière chlore. Pour l’éthylène, le vapocraquage incorpore un peu (7 %) d’huile de pyrolyse issue de la pyrolyse des plastiques (recyclage chimique) mais c’est surtout le captage et stockage de carbone (CSC) qui est privilégié pour réduire les émissions.

Le deuxième scénario, intitulé « Électricité et protectionnisme européen », arrive à contenir la baisse de la production grâce à un contrôle des importations extra-européennes. La majeure partie des exportations se fait en Europe. La décarbonation de la filière chlore passe par l’électrification totale des fours de pyrolyse, le recours à des chaudières électrique et à la biomasse, des gains sur la consommation de vapeur. La technologie de rupture de cathode dépolarisée à oxygène (CDO), qui peut réduire la consommation d’électricité de 30 %, est largement déployée. Dans le secteur de l’éthylène, l’efficacité énergétique et le recours à la technologie Methanol-to-Olefins (MTO, à base de méthanol issu d’H₂ électrolytique et de CO₂ biosourcé, ou issu de gazéification ou de reformage de biomasse) assurent moins de 20 % de la décarbonation en 2050. L’électrification est prépondérante pour atteindre l’objectif de la SNBC, au niveau des machines tournantes et surtout des fours de vapocraquage.

Enjeu de l’économie circulaire

Le dernier scénario, « Biosourcé et spécialisation locale », fait le choix de politiques ambitieuses en France, en Europe et dans le monde pour réduire l’usage des plastiques. Il en découle de plus forts systèmes de collecte, tri et recyclage, une meilleure incorporation de matières recyclées dans les produits et une limitation forte des PUU en Europe, couplée à l’application d’un traité international fort sur la pollution plastique. Sobriété et réemploi concourent aussi à la baisse de la demande. Les échanges imports-exports diminuent et les filières chlore-éthylène perdent environ un tiers de leur capacité de fabrication. La baisse de production engendre une bonne partie de la réduction des émissions de GES : 57 % pour le chlore et 40 % pour l’éthylène. Le reste est dû à l’efficacité énergétique, à l’électrification, à l’usage d’hydrogène, à l’amélioration des fours et électrolyseurs, au changement de mix énergétique et au développement du procédé Bioethanol-to-Olefins (BTO, avec du bioéthanol produit à partir de biomasse).

Tous les scénarios atteignent l’objectif de la SNBC, mais avec des coûts très différents. Le premier est le moins coûteux mais entraîne une dégradation de la balance commerciale. Le dernier est le plus coûteux mais déploie une vraie filière de recyclage. L’Ademe souligne donc trois enjeux majeurs. L’accélération de l’économie circulaire, avec recyclage des plastiques et intégration des matières premières recyclées tout le long de la chaîne de valeur, est nécessaire car elle peut diminuer les impacts environnementaux, avoir un intérêt commercial et améliorer la souveraineté du pays.

Deuxièmement, le positionnement dans le marché mondial doit se faire en prenant en compte le mécanisme d’ajustement carbone aux frontières, tout en incitant les industriels français à se positionner sur des produits à forte valeur ajoutée (comme les plastiques biosourcés) dont certains pourraient être favorisés dans la commande publique grâce à des critères de contenu carbone. Enfin, en plus d’un soutien à l’innovation (CDO, MTO, BTO) et aux projets de décarbonation, les pouvoirs publics doivent anticiper les besoins d’infrastructures liées aux solutions déployées (transport et stockage CO₂, filières hydrogène et biomasse, électricité décarbonée à prix compétitif).

Quel que soit l’avenir, toutes les entreprises de la filière en amont (chlore / éthylène) et en aval (plasturgie – soit plus de 3 000 établissements français) vont devoir repenser leur modèle et prévoir des adaptations voire des reconversions pour un plastique sans carbone.