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.

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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.