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Peut-on cacher nos émissions de CO2 sous le tapis ?

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

Didier Dalmazzone, professeur en chimie et procédés à l'ENSTA Paris (IP Paris)
Le 26 mai 2021 |
5 mins de lecture
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Pourquoi est-il si difficile de capter le CO2 directement dans l’atmosphère ?
Ddidier Dalmazzone
Didier Dalmazzone
professeur en chimie et procédés à l'ENSTA Paris (IP Paris)
En bref
  • La concentration atmosphérique du CO2 est passée de 300 parties par million (ppM) en 1950 à plus de 400 ppM.
  • Même si la nature capture déjà une grande partie du CO2 atmosphérique, ce n’est pas suffisant pour atteindre les niveaux exigés pour lutter contre le réchauffement climatique.
  • La capture directe du CO2 atmosphérique (DAC, pour « Direct Air Capture ») est une solution a priori efficace au problème des émissions diffuses.
  • Cependant, la DAC se heurte à la difficulté majeure de la faible concentration de CO2 dans l’atmosphère – 400 ppM. Avec les technologies existantes, il faudrait traiter 1,25 million de mètres cubes d’air pour capturer une seule tonne de CO2.
  • Des solutions technologiques sont en cours de développement afin de surmonter ce défi.

Le CO2 atmosphérique

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.

Cap­ture du CO2 : la fil­ière DAC (« Direct Air Cap­ture »)

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 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.

Les coûts associés

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.

1Dévelop­pé au MIT par Sahag Voskian et T. Alan Hat­ton.

Auteurs

Ddidier Dalmazzone

Didier Dalmazzone

professeur en chimie et procédés à l'ENSTA Paris (IP Paris)

Didier Dalmazzone est aussi membre du Comité de Direction du Centre Interdisciplinaire Energy for Climate de l'Institut Polytechnique de Paris. Responsable du Parcours Production et Gestion de l'Énergie en 3ème année du cursus ingénieur ENSTA Paris, il est également responsable de la Mention de Master en Energie de l'IP Paris. Ses activités de recherche sur les procédés pour la transition énergétique concernent la filière hydrogène, la capture du CO2 ainsi que la réfrigération