Pourquoi est-il si difficile de capter le CO2 directement dans l’atmosphère ?

Nul ne peut aujourd’hui l’ignorer : le dioxyde de car­bone (CO₂) est l’un des prin­ci­paux res­pon­sables de l’effet de serre, ce phé­no­mène qui contri­bue au réchauf­fe­ment du cli­mat ter­restre en redi­ri­geant le rayon­ne­ment réflé­chi vers les couches basses de l’atmosphère et le sol. Si l’effet de serre est indis­pen­sable au main­tien d’une tem­pé­ra­ture pro­pice au déve­lop­pe­ment de la vie sur Terre, son excès menace notre cli­mat de graves dérè­gle­ments à court ou moyen terme. 

L’évolution de la concen­tra­tion atmo­sphé­rique du CO₂ montre une aug­men­ta­tion alar­mante depuis le début de l’ère indus­trielle et, plus par­ti­cu­liè­re­ment, une véri­table explo­sion depuis le milieu du ving­tième siècle, pas­sant de 300 par­ties par mil­lion (ppM) en 1950 à plus de 400 ppM aujourd’hui. Selon les esti­ma­tions les plus récentes des experts du GIEC, une réduc­tion dras­tique et rapide des émis­sions est indis­pen­sable pour main­te­nir le réchauf­fe­ment cli­ma­tique dans des limites accep­tables : il s’agit ni plus ni moins de rame­ner ces émis­sions de 50 mil­liards de tonnes par an… à zéro d’ici 2050 (scé­na­rio +1,5 °C) ou 2075 (scé­na­rio +2 °C). Nous sommes donc confron­tés à un défi qui ne pour­ra être rele­vé qu’en asso­ciant un grand nombre de solutions.

On note­ra que la nature – notam­ment par le phé­no­mène de pho­to­syn­thèse –, cap­ture déjà de grandes quan­ti­tés de CO₂ atmo­sphé­rique, pour le sto­cker de façon très durable dans les végé­taux, les ani­maux qui les consomment, et finir par for­mer du char­bon, du pétrole et du gaz… On ne par­le­ra pas ici de cap­ture natu­relle du CO₂, même si la valo­ri­sa­tion de la bio­masse est consi­dé­rée comme l’une des solu­tions les plus pro­met­teuses pour réduire la concen­tra­tion de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Par­mi les autres solu­tions, la cap­ture indus­trielle du CO₂ et son sto­ckage à long terme – sa « séques­tra­tion » – pour­raient repré­sen­ter jusqu’à près de 20 % des réduc­tions d’émissions. Jusque très récem­ment, la cap­ture était uni­que­ment envi­sa­gée dans les effluents des indus­tries for­te­ment émet­trices : cen­trales élec­triques à char­bon ou à fuel lourd, cimen­te­ries, acié­ries, raf­fi­nage pétro­lier, pro­duc­tion d’ammoniac… Étant don­né la concen­tra­tion éle­vée de CO₂ dans ces effluents, leur cap­ture est rela­ti­ve­ment « facile », et les tech­no­lo­gies pour le faire existent depuis long­temps. Cepen­dant, ces émis­sions concen­trées ne repré­sentent qu’environ 50 % des émis­sions totales, l’autre moi­tié étant consti­tuée des émis­sions dif­fuses dues aux sec­teurs des trans­ports, du bâti­ment ou aux petites industries.

La cap­ture indus­trielle du CO₂ et son sto­ckage pour­raient repré­sen­ter jusqu’à près de 20 % des réduc­tions d’émissions.

La cap­ture directe du CO₂ atmo­sphé­rique (DAC, pour « Direct Air Cap­ture »), solu­tion a prio­ri effi­cace au pro­blème des émis­sions dif­fuses, se heurte à la dif­fi­cul­té majeure de la faible concen­tra­tion. Avec 400 ppM dans l’air, et en sup­po­sant un taux de cap­ture de 100 %, il fau­drait en effet trai­ter 1,25 mil­lions de mètres cubes d’air pour cap­tu­rer une tonne de CO₂. Rap­pe­lons l’enjeu : cap­tu­rer des cen­taines de mil­lions, voire des mil­liards de tonnes ! C’est sans doute l’une des rai­sons pour les­quelles les pro­jets de déve­lop­pe­ment d’une filière DAC ne sont appa­rus que très récem­ment. D’autres rai­sons étant la dif­fi­cul­té de trou­ver un débou­ché au CO₂ cap­té et un modèle éco­no­mique jus­ti­fiant les inves­tis­se­ments qui devront être consen­tis, ain­si que le coût éner­gé­tique très éle­vé des pro­cé­dés de capture.

Sur le plan tech­no­lo­gique, les pro­jets exis­tants font appel à des solu­tions éprou­vées, basées sur la réac­ti­vi­té chi­mique du CO₂ (un gaz acide) avec des réac­tifs basiques. Les pre­miers pro­to­types mis au point au début de ce siècle ne pré­sen­taient pas d’innovation majeure. On peut citer le démons­tra­teur de tour d’absorption à la soude pré­sen­té en 2008 par l’Université de Cal­ga­ry, d’une capa­ci­té de cap­ture de 20 tonnes de CO₂ par an. Depuis, les tech­no­lo­gies ont évo­lué et plu­sieurs acteurs indus­triels semblent sur la voie d’un déve­lop­pe­ment à grande échelle de la filière DAC. Le pro­cé­dé par voie humide des ori­gines (bar­bo­tage de l’air aspi­ré dans une solu­tion de soude ou de potasse) se voit concur­ren­cé par des pro­cé­dés par voie sèche, uti­li­sant par exemple des mem­branes impré­gnées de réac­tif basique. C’est ce que pro­pose la start-up Suisse Cli­me­works, issue de l’École poly­tech­nique fédé­rale de Zurich. La socié­té fait état de qua­torze ins­tal­la­tions opé­ra­tion­nelles ou en pro­jet à ce jour, dont la plus grosse usine DAC com­mer­ciale au monde : le pro­jet ORCA, en cours de construc­tion en Islande, qui sera capable de cap­tu­rer 4 000 tonnes de CO₂ atmo­sphé­rique par an. Mais même si les pro­grès semblent s’accélérer avec la prise de conscience des enjeux, nous res­tons encore loin des objec­tifs de moyen terme.

Quel que soit le réac­tif employé, l’un des prin­ci­paux postes de dépenses de la filière reste l’énergie néces­saire pour extraire le CO₂. Car il est bien sûr indis­pen­sable de dis­po­ser de CO₂ pur pour le sto­cker dans des réser­voirs géo­lo­giques ou pour le valo­ri­ser comme matière pre­mière indus­trielle. Or si le CO₂ est si prompt à réagir avec des réac­tifs basiques, l’opération inverse requiert un chauf­fage à des tem­pé­ra­tures éle­vées, supé­rieures à 100 °C. Cette opé­ra­tion de régé­né­ra­tion per­met de récu­pé­rer le réac­tif basique, qui pour­ra ain­si être réin­jec­té dans le cycle de cap­ture. Cette étape cause aus­si des pertes de réac­tif, ce qui consti­tue un deuxième poste de dépenses pour le pro­cé­dé. Le troi­sième poste est celui du condi­tion­ne­ment du CO₂ cap­té, plus pré­ci­sé­ment de sa com­pres­sion jusqu’à atteindre l’état super­cri­tique, au-des­sus de 80 bars. Au-delà de l’aspect éco­no­mique, ces coûts éner­gé­tiques ont un effet para­doxal, puisque le pro­cé­dé de cap­ture a lui-même un bilan car­bone défa­vo­rable. Ain­si, il peut émettre une quan­ti­té de CO₂ équi­va­lente à 30 % du car­bone qu’il élimine.

Des pro­cé­dés plus inno­vants sont à l’étude, par­mi les­quels on peut citer l’« Elec­tro-Swing-Absorp­tion » (ESA)¹. Ce pro­cé­dé est basé sur une bat­te­rie élec­tro­chi­mique uti­li­sant comme maté­riau d’électrode le poly-anthra­qui­none, un poly­mère capable de fixer le CO₂ sous l’effet d’un poten­tiel élec­trique au cours de la charge. Lors de l’opération inverse, la décharge de la bat­te­rie libère le CO₂ tout en four­nis­sant un cou­rant élec­trique uti­li­sable. Encore au stade de recherche, ce pro­cé­dé a fait l’objet d’études tech­no-éco­no­miques des­ti­nées à éva­luer le coût de cap­ture à grande échelle dans une four­chette de 50 à 100 $ par tonne de CO₂. À titre de com­pa­rai­son, le cours de la tonne de CO₂ sur le mar­ché euro­péen des droits d’émissions, en forte hausse depuis quelques mois, fluc­tue actuel­le­ment autour de 55 € (66 $) par tonne.