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