Cette semaine, nous revenons sur un sujet capital pour l’avenir de la planète : celui de la capture à la source, du stockage et de la valorisation du CO2, un gaz émis en énormes quantités par l’homme (35,7 gigatonnes en 2015, ce qui représente une hausse de 58 % des émissions mondiales depuis 1990) et qui contribue de manière décisive, nous en avons à présent les preuves scientifiques, au réchauffement accéléré du climat et à la montée de plus en plus rapide du niveau des mers sur l’ensemble de la Terre.
Il y a 3 semaines, une nouvelle étude du Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement est encore venue confirmer l’augmentation sans précédent depuis plus de 800 000 ans de la concentration de CO2 dans l’atmosphère. Ces travaux, qui s’appuient sur des analyses réalisées sur l’ile isolée d’Amsterdam, située dans l’hémisphère Sud, montre sans contestation possible que, depuis 1981, la concentration de dioxyde de carbone est ainsi passée de 339 à 400 ppm (+ 18 %), soit une augmentation moyenne de 1,75 ppm par an. Par ailleurs, les chercheurs ont relevé des taux de croissance plus élevés ces dernières années : l'augmentation du CO2 dans l'atmosphère s'accélère puisque le taux de croissance annuel observé, d'une valeur de 1,30 ppm par an dans les années 1980, atteint plus de 2 ppm par an depuis 2012 (Voir CNRS).
Si nous voulons tenir les objectifs de la COP 21 et parvenir à réduire de moitié les émissions humaines de CO2 d’ici 2050 (en dépit de l’augmentation de la population mondiale d’environ deux milliards d’habitants), il faudra, selon une vaste étude publiée dans Nature, fin 2015 (Voir Nature) non seulement réduire sensiblement à la source nos émissions de CO2 et doubler l’efficacité énergétique de nos systèmes industriels et économiques mais également augmenter la surface mondiale des forêts (4 milliards d’hectares en 2015) de 970 millions d’hectares, soit ¼ de surfaces supplémentaires. Cette surface boisée supplémentaire devrait permettre de capter environ 12 gigatonnes de CO2 par an d’ici la fin de ce siècle.
Mais nous allons devoir accomplir un effort de réduction globale de nos émissions de CO2 si important et si rapide que ces différents leviers (y compris la montée en puissance considérable des énergies renouvelables que j’ai encore évoquée la semaine dernière dans mon éditorial sur les énergies marines) risquent de ne pas suffire pour respecter nos nouveaux engagements internationaux très contraignants et atteindre nos objectifs de décarbonisation globale massive de l’économie mondiale.
Il va donc être nécessaire de mettre en œuvre, en plus des mesures évoquées, des outils de capture et de stockage qui permettront de piéger une partie du CO2 que nous devrons continuer à émettre pour faire tourner nos économies. Mais le développement massif de ces techniques de capture et de stockage du CO2 se heurte depuis plus de 20 ans à un obstacle rédhibitoire : son coût trop élevé. Le coût moyen de la capture et du stockage du CO2 est en effet évalué à environ 60 euros la tonne par la majorité des études sur ce sujet. Or, le prix actuel de la tonne de CO2 sur les marchés internationaux du carbone est dix fois inférieur à ce coût, c’est-à-dire de l’ordre de 6 euros. Avec une telle équation économique, on voit bien que seules des ruptures technologiques majeures dans la récupération, la neutralisation et la valorisation du CO2 permettront de diminuer plus rapidement nos émissions de carbone, à un coût économique et social supportable pour nos sociétés.
Heureusement, plusieurs avancées scientifiques et techniques majeures sont intervenues récemment dans ce domaine de la capture et de la transformation du CO2 et elles pourraient bien bouleverser le nouveau paysage énergétique mondial qui émerge. Fin 2013, NCF a dévoilé un procédé qui permet de transformer le CO2 industriel en un hydrocarbure, baptisé syngas, composé de monoxyde de carbone et d’hydrogène. Le processus de transformation se fait dans une centrale solaire. Le principe est de récupérer à la source le CO2 produit par l’industrie. Il est envoyé dans le réacteur avec de l’eau. Au bout du processus chimique, à plus de 1000°C grâce à la focalisation de la lumière solaire sur un miroir, on obtient une production de syngas et de l’oxygène. Le syngas peut alors être directement utilisé comme source d’énergie et comme carburant.
Le réacteur de NCF transformant le CO2 pourra être installé en bout de chaîne de production dans certaines usines qui produisent à la fois une grande quantité de chaleur et de dioxyde de carbone, comme les industries métallurgiques et gazières. En recyclant une partie de leurs émissions de CO2 en carburant, ces industries réduiront sensiblement leur empreinte carbone. Le procédé de NCF pourrait être commercialisé d'ici à 2018 sur un marché mondial potentiel estimé à 24 milliards de dollars (22,5 milliards d'euros) par an.
Fin 2015, une équipe de recherche de Siemens a annoncé la mise au point de modules de photosynthèse artificielle qui utilisent les excédents d’électricité produits par des sources d'énergies renouvelables. Ces modules, de la taille d’une boite à chaussures, pourraient être pleinement opérationnels d’ici deux ans. Dans un premier temps, ils pourraient être utilisés pour capter et recycler le CO2 émis par l’industrie et les centrales électriques. Mais Siemens voit plus loin et imagine déjà recouvrir les bâtiments à l’aide de ses modules, ce qui permettrait de capter le CO2 directement dans l’atmosphère et de le transformer, à partir d’énergie éolienne ou solaire, en composants chimiques à haute valeur ajoutée, comme l’éthylène ou le méthanol (Voir Innovations Report).
En mai 2015, le constructeur automobile Audi s'est associé à la firme Sunfire pour explorer une voie révolutionnaire et non polluante, baptisée Blue Crude. Ce nouveau carburant s'appuie sur deux matières premières seulement : de l'eau et du dioxyde de carbone. Ce procédé qui permet de s'appuyer sur ces deux éléments extrêmement présents sur Terre se compose de trois étapes : la première consiste à réaliser une électrolyse réversible pour décomposer l'eau en oxygène et hydrogène pur, via le recours à des énergies renouvelables (éolien, photovoltaïque, hydroélectrique) permettant d'atteindre une température de plus de 800°C (Voir Science Alert).
Dans un deuxième temps, l'hydrogène pur est mixé avec du monoxyde de carbone obtenu à partir du dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère ou fourni par des installations de production de biogaz. Quand la température s'élève et que la pression est adéquate, le mélange devient liquide et chargé en potentiel énergétique. C'est ce fluide composé d'éléments hydrocarbonés à longue chaîne que Sunfire et Audi ont baptisé Blue Crude.
Ce dernier peut, dans un troisième temps, être raffiné et utilisé en carburant (ou être mélangé avec du diesel traditionnel) pour les véhicules roulant au gazole. Selon les premiers essais réalisés par Audi et Sunfire, le Blue Crude serait non seulement plus propre que le diesel traditionnel mais aussi plus efficace, avec une efficience énergétique de 70 %. Ce nouveau carburant pourrait donc faciliter « la mobilité longue distance sans aucun impact sur le climat », explique pour sa part Reiner Mangold, directeur du développement de produits durables chez Audi.
En octobre 2015, la société canadienne Carbon Engineering, fondée en 2009 par David Keith, un climatologue de l’Université de Harvard, a inauguré son usine pilote de décarbonisation de l’air à Squamish, en Colombie-Britannique. Cette entreprise, qui a obtenu le soutien financier de Bill Gates, a mis au point une technologie qui consiste en premier lieu à capturer le CO2 directement dans l’atmosphère à l’aide de ventilateurs géants. Une fois filtré et purifié, le composant est transformé en boulettes de combustible synthétique, qui peuvent ensuite servir de carburant. « Il est maintenant possible de prendre le CO2 de l’atmosphère et de l’utiliser comme un combustible qui, combiné à l’hydrogène, produit une énergie zéro émission », souligne le PDG de cette société, Adrian Cordless qui espère commercialiser en 2018 son carburant synthétique issu du CO2 ainsi extrait. Il est vrai que cette technique présente un avantage remarquable : elle pourrait être utilisée dans des systèmes de production d’énergie déjà existants. Amorcé en juin 2015, ce procédé de capture de CO2 a déjà permis d’aspirer 10 tonnes de dioxyde de carbone.
En avril 2016, General Electric a, pour sa part, dévoilé un projet de turbine fonctionnant spécifiquement avec du CO2, lui-même mis sous phase supercritique avec de la chaleur stockée dans des sels fondus. Cette turbine révolutionnaire vise à franchir un pas décisif en matière de stockage d’énergie. GE s’appuie sur deux idées complémentaires : d’une part, sur une technologie existante, le stockage de la chaleur dans des sels fondus, notamment utilisée pour le solaire à concentration, où des miroirs concentrent l’énergie solaire pour chauffer un fluide. La chaleur est ainsi stockée assez longtemps pour être ensuite réutilisée pendant les heures sans soleil. D’autre part, les chercheurs de GE ont utilisé du CO2 en lieu et place de l’eau pour faire tourner la turbine (Voir MIT Technology Review).
Sous l’effet de la chaleur libérée par les sels fondus, le CO2 sous forme de glace carbonique passe sous haute pression en phase supercritique à 700°C. Cette phase supercritique n’est ni liquide ni gazeuse mais est aussi dense qu’un liquide tout en possédant des propriétés de circulation, comme la viscosité, proches de celles d’un gaz. GE a ensuite créé un nouveau type de turbine à haut rendement pour exploiter spécifiquement les propriétés de ce CO2 supercritique.
Ces turbines dites "Sunrotors" pourraient ainsi convertir jusqu’à 68 % de l’énergie stockée sous forme de chaleur en électricité, alors que les centrales à gaz les plus efficaces aujourd’hui ont un rendement de 61 %. Cela grâce aux bonnes propriétés caloportrices du CO2 et grâce aux besoins diminués de compression du CO2 supercritique par rapport à la vapeur. Enfin, la technologie des sels fondus répond également mieux aux besoins de flexibilité des réseaux d’électricité, qu’elle soit produite par l’énergie solaire, nucléaire ou de combustion : la chaleur peut être stockée puis utilisée dans un second temps, selon les besoins, pour produire l’électricité. Tandis qu’une turbine fonctionnant à la vapeur d’eau nécessitera une demi-heure pour se mettre en marche, celle au CO2 prendra une ou deux minutes. En outre, le dioxyde de carbone utilisé pour faire tourner cette turbine ne produit pas de déchets. La substance est simplement refroidie, repressurisée et réinjectée dans la turbine pour un nouveau cycle.
General Electric se donne cinq ans pour proposer un système fiable capable de stocker 100 MWh (soit assez pour alimenter une ville de 100 000 habitations selon GE) produits avec une turbine de 33 MW. En outre, la turbine ne ferait qu’un dixième de la taille d’une turbine à vapeur de puissance équivalente et permettrait de réduire significativement les coûts de production d’électricité (100 $/MWh contre 250 $/MWh pour des centrales à gaz). Selon le porteur du projet Doug Hofer, le système est aussi un concurrent plus rentable économiquement que le stockage par batteries.
Autre innovation très prometteuse en cours d’expérimentation : l’association sur une même installation industrielle de la production d’énergie géothermique et du stockage du CO2, actuellement testée dans le cadre du projet ANR CO2-Dissolved, coordonné par le Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM).
Ce système repose sur l’utilisation de deux puits, un puits producteur et un puits injecteur. Le premier puits permet de pomper la saumure chaude d’un aquifère salin profond. La chaleur en est extraite. Puis elle est réinjectée à plus basse température via le second puits. Mais l’originalité de ce projet réside dans le fait que le CO2 y est injecté jusqu’à ce que la saumure soit saturée en CO2. Une installation expérimentale reproduisant un puits à échelle décimétrique a permis d’effectuer des tests avec des minéraux gréseux et carbonatés, caractéristiques des principaux aquifères profonds ciblés en France. L’étude a montré que les réactions chimiques induites par l’injection du CO² dans de la saumure acidifiée n’avait que des conséquences négligeables sur le puits d’injection et le réservoir, étant donné les profondeurs où elles avaient lieu.
Une étude de faisabilité technico-économique a montré que la mise en œuvre de cette technologie est bien adaptée aux installations industrielles « moyennes » émettant de 10 à 150 000 tonnes par an. Pour ce type d’unité, cette nouvelle technologie est bien plus intéressante que l’utilisation d’une technologie de captage-stockage de CO2 habituelle. Un inventaire des sites industriels potentiellement compatibles, émettant moins de 150 000 t/an de CO2, a été mené sur la France, l’Allemagne et les Etats-Unis. Plus de 650 sites ont été identifiés rien qu’en France, soit l’équivalent de 20 % des émissions industrielles nationales de CO2.
Enfin, il y a quelques jours, des scientifiques sont parvenus, pour la première fois, à obtenir une solidification rapide du dioxyde de carbone (CO2) injecté dans des sols basaltiques, offrant une solution prometteuse pour un stockage sûr de ce gaz lié au réchauffement planétaire. Les résultats de cette expérience pourraient apporter une réponse aux inquiétudes suscitées par l'idée de stocker le CO2 dans le sous-sol, certains craignant que ce gaz carbonique s'échappe dans l'atmosphère, estiment ces chercheurs (Voir Eurekalert).
Dans le cadre d'un projet pilote appelé Carbfix lancé en 2012 dans la centrale géothermique de Hellisheidi, en Islande, la plus grande au monde, une équipe de scientifiques et d'ingénieurs a commencé à mélanger le CO2 et d'autres gaz à de l'eau pompée dans le sol pour réinjecter la solution dans le basalte volcanique. La centrale de Hellisheidi, qui alimente Reykjavik, pompe dans le sol l'eau bouillante chauffée par la géothermie pour faire fonctionner ses turbines. Mais ce processus n'est pas totalement propre car il fait remonter également des gaz volcaniques, comme le CO2 et du sulfure d'hydrogène.
Dans la nature, quand le basalte est en contact avec de l'eau mélangée à du CO2, une réaction chimique se produit et le carbone se transforme en un minéral crayeux. Mais personne ne savait jusqu'à présent combien de temps cette réaction prenait : de précédentes études estimaient qu'une solidification du CO2 prendrait au moins plusieurs centaines d'années, voire des millénaires. Mais dans le basalte sous la centrale de Hellisheidi, 95 % du CO2 injecté se sont solidifiés en moins de deux ans. "Cela indique qu'il est possible de pomper de grandes quantité de CO2 dans le sol et de le stocker de manière très sûre en peu de temps", relève Martin Stute, hydrologue à l'Université Columbia à New York et co-auteur de cette étude. Cette étude précise qu’il est envisageable d'utiliser cette technique dans les centrales au charbon situées dans des zones où il y a beaucoup de basalte et précise que cette roche est très répandue, que ce soit dans les océans ou sur les continents.
Autre avantages décisifs de cette technique, son coût de mise en œuvre est bien moins élevé que celui des méthodes actuelles car, d’une part, le gaz n’a pas à être injecté sous de très hautes pressions et, d’autre part, le stockage peut s’effectuer sans surveillance car il n’y a pas de risques de fuites. Mais pour être utilisée à grande échelle, cette technique très innovante devra encore surmonter deux obstacles de taille : elle devra d’abord réduire ses besoins considérables en eau et faire la preuve que la roche de basalte ainsi produite rapidement ne risque pas d’accroître les risques de séismes dans certaines zones géologiques particulières…
Signalons enfin la nouvelle invention de Daniel G. Nocera, célèbre professeur et chercheur en Chimie à Harvard (États-Unis). En 2011, ce scientifique très imaginatif avait déjà fait sensation en présentant une feuille artificielle capable de séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. Cette fois, son équipe a réussi à modifier une bactérie, appelée Ralston eutropha, qui absorbe le dioxyde de carbone et l’hydrogène de l’air et de l’eau (combinés à sa feuille artificielle) pour les transformer en carburants alcooliques. « Pour le moment, nous produisons de l’isopropanol, de l’isobutanol et de l’isopentanol », a expliqué Nocera lors d’une conférence à Chicago (Voir Inhabitat).
Si le processus se trouve à l’état naturel chez les plantes et les végétaux, celui-ci est traditionnellement efficace à environ 1 % (ce qui signifie que 1 % de l’énergie solaire est convertie en biomasse). La bactérie de Daniel Nocera, elle, est dix fois plus efficace. Cette technologie, sans être une panacée, fait sauter un verrou important vers le « carbone neutre » : le CO2 converti en carburant retourne dans l’atmosphère après combustion mais peut à nouveau être extrait de l’air grâce à ce processus biochimique bactérien très efficace.
Mais cette invention de Daniel Nocera peut également permettre d’implanter des centrales d’énergie dans des régions dénuées de ressources naturelles, comme l’Inde, où 300 millions de personnes n’ont pas encore d’accès à l’électricité. Selon Forbes, un réacteur d’un litre de liquide rempli des bactéries de Nocera peut capturer 500 litres de CO2 par jour, et faire disparaître 237 litres de CO2 pour chaque kilowatt-heure produit.
Ce rapide tour d’horizon des ruptures technologiques en cours en matière de captage, de stockage et de valorisation du CO2, montre à quel point nous devons modifier et enrichir notre approche conceptuelle concernant le défi majeur que représente la diminution mondiale drastique de nos émissions de dioxyde de carbone. Si nous devons toujours nous assigner comme priorité absolue la réduction « à la source » des émissions de CO2, nous devons également considérer à présent que ce gaz, que nous continuerons à produire longtemps en quantité, quels que soient nos efforts, peut constituer une véritable ressource énergétique et économique que nous devons apprendre à transformer et à exploiter dans l’intérêt de tous.
René TRÉGOUËT
Sénateur honoraire
Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat
