Des îles artificielles pour booster le puits de carbone océanique

Fer­ti­li­sa­tion du phy­to­planc­ton, alca­li­ni­sa­tion arti­fi­cielle… Les cher­cheurs s’intéressent à ces pro­cé­dés tech­no­lo­giques pour lut­ter contre le réchauf­fe­ment cli­ma­tique. En boos­tant la capa­ci­té natu­relle d’absorption du CO₂ des océans, ces solu­tions visent à contre­ba­lan­cer les émis­sions anthro­piques de CO₂. Si le Groupe d’Experts Inter­gou­ver­ne­men­tal du Cli­mat (GIEC) estime que ce cap­tage est néces­saire pour limi­ter le réchauf­fe­ment cli­ma­tique à 2 °C¹, aucune de ces solu­tions n’est aujourd’hui déployée. Au sein du pro­jet XSeaO2, finan­cé par le fonds Ifker pour le cli­mat, Cédric Tard et ses col­lègues vont tes­ter pour la pre­mière fois l’une d’entre-elles sur le terrain.

Notre objec­tif est d’extraire le car­bone des océans pour aug­men­ter sa capa­ci­té à cap­ter le CO₂ atmo­sphé­rique. Nous employons pour cela une solu­tion exis­tante : une cel­lule d’extraction élec­tro­chi­mique basée sur une mem­brane bipo­laire. En pra­tique, le pro­cé­dé consiste à cap­ter l’eau et à l’acidifier arti­fi­ciel­le­ment en pola­ri­sant des élec­trodes. En des­sous d’un pH 5, le car­bone inor­ga­nique dis­sous se trans­forme en gaz (en CO₂) et est libé­ré. Nous récu­pé­rons ce gaz, et une eau d’un pH légè­re­ment plus basique est reje­tée en sor­tie. Ce pro­cé­dé d’extraction de CO₂ fait l’objet de beau­coup de recherche actuel­le­ment, les meilleurs ren­de­ments sont de l’ordre de 60 % en CO₂ extrait.

Ici, le module d’extraction du CO₂ est com­bi­né à d’autres outils au sein d’une île arti­fi­cielle. La par­ti­cu­la­ri­té ? Cette île pro­duit du car­bu­rant de syn­thèse. L’eau sera pom­pée au sein de deux cir­cuits. Dans le pre­mier, le CO₂ est donc extrait de l’eau. Dans le deuxième, l’eau est d’abord désa­li­ni­sée puis trai­tée au sein d’un élec­tro­ly­seur pour pro­duire de l’hydrogène (H₂). Enfin, l’hydrogène est com­bi­né avec le CO₂ au sein d’un réac­teur pour for­mer le car­bu­rant de syn­thèse. Il peut ensuite être uti­li­sé dans des véhi­cules à pro­pul­sion ther­mique. Métha­nol, étha­nol, kéro­sène : plu­sieurs car­bu­rants de syn­thèse peuvent être fabri­qués, nous étu­dions actuel­le­ment la meilleure solu­tion à mettre en œuvre.

Jamais per­sonne n’a réus­si à tes­ter ce pro­cé­dé dans le monde, seul Google X Lab a essayé à une petite échelle, sans suc­cès. Nous sou­hai­tons tout d’abord démon­trer que le prin­cipe peut se véri­fier à l’échelle d’un lac.

D’ici un an, nous allons construire un pro­to­type qui sera dis­po­sé sur le lac de l’École poly­tech­nique. Un démons­tra­teur flot­tant d’environ 20 m² contien­dra l’ensemble des modules néces­saires à la fabri­ca­tion du car­bu­rant de syn­thèse. Il sera accom­pa­gné de 300 m² pan­neaux pho­to­vol­taïques flot­tants : la pro­duc­tion d’électricité renou­ve­lable est indis­pen­sable à ces îles arti­fi­cielles pour ali­men­ter les modules d’extraction et fabri­ca­tion de car­bu­rant. L’électrolyse de l’eau est le pro­cé­dé le plus consom­ma­teur d’énergie. Nous sou­hai­tons trai­ter 4 m³ d’eau par jour, ce qui devrait per­mettre de fabri­quer envi­ron 1L de car­bu­rant par jour. À la fin du pro­jet, nous espé­rons pou­voir réa­li­ser une ana­lyse du cycle de vie ain­si qu’une esti­ma­tion de la ren­ta­bi­li­té éco­no­mique du car­bu­rant pro­duit pour le com­pa­rer à d’autres pro­cé­dés de fabri­ca­tion de car­bu­rant de synthèse.

Ce démons­tra­teur sera un véri­table labo­ra­toire des­ti­né à l’ensemble de la com­mu­nau­té scien­ti­fique. Nous avons par exemple tra­vaillé sur l’acceptabilité socié­tale, et mis au point un desi­gn spé­ci­fique à l’aide de l’école d’architecture Penninghen.

Ils sont prin­ci­pa­le­ment tech­no­lo­giques. L’extraction du CO₂ n’est pas encore un pro­cé­dé mature, et le com­bi­ner avec des modules de désa­li­ni­sa­tion, d’électrolyse et un réac­teur repré­sente un véri­table défi. L’autre contrainte majeure est l’utilisation de pan­neaux pho­to­vol­taïques flot­tants. Ces sys­tèmes ne sont, eux non plus, pas matures : il est néces­saire de fia­bi­li­ser leur uti­li­sa­tion en mer, dans un milieu agi­té et salé. Nous savons en revanche que leur effi­ca­ci­té sera accrue par rap­port aux ins­tal­la­tions ter­restres grâce au gain d’efficacité offert par la baisse de tem­pé­ra­ture du fait de la pré­sence d’eau et des cou­rants d’air sous les pan­neaux (+ 0,6 % pour chaque degré en moins).

La mer est un milieu avec de très fortes contraintes : il fau­dra s’assurer de la résis­tance des pan­neaux et du module de chi­mie aux tem­pêtes. Notre démons­tra­teur ne per­met­tra pas d’adresser l’ensemble de ces ques­tions puisqu’il sera déployé sur un lac. Mais il est une pre­mière étape pour tes­ter la via­bi­li­té du procédé.

Le prin­ci­pal risque concerne le pro­cé­dé de désa­li­ni­sa­tion de l’eau. Les usines de désa­li­ni­sa­tion d’eau de mer sont une véri­table catas­trophe envi­ron­ne­men­tale en rai­son des effets des rejets de sau­mure en mer. Mais dans notre pro­cé­dé, la désa­li­ni­sa­tion ne sert que pour extraite l’hydrogène de l’eau par élec­tro­lyse. Or moins de 1 % de l’eau cap­tée ser­vi­ra à extraire de l’hydrogène : la grande majo­ri­té sera uti­li­sée pour extraire le CO₂. Nous envi­sa­geons tout de même de tes­ter des élec­tro­ly­seurs qui fonc­tionnent avec du sel pour réduire les retom­bées envi­ron­ne­men­tales. Le pro­cé­dé d’extraction du CO₂ ne pose pas de pro­blème : l’eau sera légè­re­ment plus basique en sor­tie, ce qui est sou­hai­té. Pour le reste, nous allons tra­vailler avec des bio­lo­gistes et éco­logues pour éva­luer l’impact de l’île arti­fi­cielle sur les éco­sys­tèmes du lac, aujourd’hui assez méconnus.

Pro­duire du car­bu­rant avec notre pro­cé­dé est neutre en car­bone : aucune éner­gie fos­sile n’est extraite. Mais c’est une étape inter­mé­diaire. À terme, nous sou­hai­te­rions extraire le CO₂ de l’eau pour le séques­trer. Il n’existe pas encore de solu­tion tech­nique mature pour réa­li­ser cette démons­tra­tion sur le site de l’École poly­tech­nique, et le pro­cé­dé est peu répan­du à tra­vers le monde et son inté­rêt reste dis­cu­té.

Anaïs Marechal