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La capture du carbone, des polluants, une piste pour réduire la pollution

Capture CO2 image par Pixource

Innovations

La capture du carbone, des polluants, une piste pour réduire la pollution

Par la rédaction

Le 06/07/2020 et modifié le 10/03/2021

À l'heure où le réchauffement climatique détériore progressivement l'environnement, la réduction des émissions de gaz à effet de serre se présente comme un enjeu prioritaire à l'échelle mondiale. 

Pour répondre aux problèmes climatiques, les chercheurs et les start-ups développent des innovations afin de réduire le taux de CO2 émis dans l'atmosphère. Certaines de ces solutions sont basées sur la capture des polluants issus des activités humaines et disposent d'un potentiel intéressant.

Limiter la pollution avec des arbres mécaniques

Si la capitale du Mexique est célèbre pour son attrait touristique, elle est également réputée pour être l'une des agglomérations les plus concernées par la pollution. Environ 9 millions d'âmes se côtoient à Mexico, dont l'aire urbaine accueille plus de 20 millions d’habitants.

Les activités de cette importante population rejettent une quantité important de polluants dans l'air, auxquels s'ajoutent ceux issus des activités industrielles et agricoles réparties un peu partout aux environs de la capitale mexicaine. 

Régulièrement, la ville est ainsi considérée par l'Organisation des Nations-Unies comme la plus polluée au monde, une situation ayant connu ses débuts en 1992.

La capture des polluants devient ainsi un défi auquel les acteurs locaux entendent apporter une réponse. Afin de contrôler la pollution dans la ville, une start-up mexicaine est parvenue à créer un arbre artificiel dont le rôle premier est de combattre la pollution. 

Cette invention portant le nom de BioUrban utilise des algues pour nettoyer l'air du dioxyde de carbone et d'autres contaminants, renvoyant de l'oxygène pur dans l'environnement. 

image arbre bio urban

Mesurant un peu plus de 4 mètres de haut et près de 3 mètres de large, l'appareil ressemble à la fois à un arbre et à un gratte-ciel moderne, avec un tronc en acier se développant en bandes montantes de métal concentrique.

L'installation de cet arbre mécanique répond à de nombreux besoins, dont celui de purifier l'air présent dans l'environnement. Comme les arbres naturels, il réalise une photosynthèse en absorbant l'eau et le dioxyde de carbone grâce à l'énergie solaire pour créer de l'oxygène

Un arbre BioUrban pèse alors une tonne et nettoie autant d'air qu'un hectare de forêt, soit l'équivalent de ce que 2 890 personnes respirent par jour.

Selon les concepteurs du BioUrban, un seul arbre artificiel aspire ainsi autant de polluants dans l'air que 368 arbres naturels

Rapidement déployable, cette solution développée par la start-up Biomitech permet ainsi de contourner le temps d'attente nécessaire aux arbres naturels pour atteindre leur maturité.

 

Camions : capturer le CO2 à la source

Parmi les différents secteurs d'activité, le transport routier fait partie des principaux émetteurs de dioxyde de carbone. Il représente jusqu'à 28 % des émissions de CO2 en France d'après le rapport 2019 du Centre Interprofessionnel Technique d’Études de la Pollution Atmosphérique ou CITEPA.

Des solutions existent pourtant pour limiter le rejet de gaz à effet de serre sur les routes, en capturant le CO2 dès sa sortie à l'échappement des poids lourds. Ce processus visant à piéger le dioxyde de carbone à la source est conçu par les chercheurs de l’EPFL ou l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne. 

Le système permet de transformer le CO2 en liquide qui peut être stocké et réutilisé pour fabriquer du carburant, réduisant ainsi le taux de dioxyde de carbone émis par les camions dans l'atmosphère.

Le temperature swing adsorption ou TSA est un procédé développé par ces chercheurs permettant de piéger le CO2 circulant dans les conduites d'échappement des camions. Cette technique permet d'abaisser la température des gaz d'échappement avant qu'ils ne soient filtrés par des matériaux contenant des amines. 

Ces matériaux retiennent alors le CO2 jusqu'à saturation avant d’être chauffé puis redistribué dans le système et compressé par des turbocompresseurs sous l'effet de la chaleur.

 

Évolutions et progrès dans le domaine de la capture, du stockage et de l'utilisation du CO2

Un rapport de l'Agence Internationale de l’Énergie ou AIE relate les nombreuses évolutions autour de la capture, du stockage et de l'utilisation du CO2

L'AIE mise sur ces technologies dites CCUS, pour Carbon Capture, Utilization and Storage, afin de réduire les émissions mondiales de GES.

Aujourd’hui, de nombreuses innovations permettent de réduire les émissions de CO2, comme l'utilisation d'une source d'énergie propre. 

L'Agence Internationale de l’Énergie admet qu'une des solutions est également d'agir au plus près des activités émettrices pour capter, stocker et utiliser les gaz à effet de serre.

Pour l'AIE, les nouvelles solutions liées au CCUS permettraient de réduire de près de 15 % les émissions d'ici à 2070. La capture, le stockage et l'utilisation du CO2 sont applicables à de nombreuses activités induisant des émissions importantes de CO2

Les technologies CCUS peuvent en effet être déployées pour piéger les gaz polluants que ce soit dans les industries de la cimenterie, du raffinage, de la pétrochimie ou de la sidérurgie, par exemple.

21 installations de CCUS sont ainsi aujourd'hui opérationnelles précise l'AIE. Situés principalement en Europe et aux États-Unis, ces centres ont une capacité de capture de près de 40 millions de tonnes de CO2, soit une part infime des 33,5 milliards de tonnes émises chaque année rien que pour la combustion d'énergie. 

L'AIE sensibilise ainsi les décideurs sur les atouts du CCUS, même si près d'une trentaine de projets sont annoncés. Ils sont en cours de développement et sont attendus pour se joindre aux centres CCUS déjà fonctionnels.

Février 2021 la seule usine de capture de carbone des USA va fermer !

Cette usine de capture et stockage de carbone d’une centrale à charbon avait des coûts de fonctionnement trop importants, des résultats trop faibles et des procédés de traitement bien trop énergivores.

Notons que selon l’évolution du marché du carbone ce type d’installation pourrait reprendre du service.

 

Stocker directement le carbone à sa sortie en usine

Le secteur industriel étant responsable de plus de la moitié des émissions de GES, trouver des solutions pour contenir la quantité de pollutions rejetée par ses activités est impératif. À cet effet, une équipe de scientifiques islandais a développé depuis 2007 une technique permettant de piéger le CO2 émis par les cheminées des usines. 

Le système basé sur la minéralisation du dioxyde de carbone prend le nom de projet CarbFix et vise à capter puis à conduire le CO2 vers une zone de stockage par des canalisations depuis l'usine pour être stocké dans du basalte.

Cette roche volcanique à la surface poreuse contient du magnésium, du calcium et du fer qui entraînent une réaction chimique permettant de solidifier le carbone préalablement dissous dans de l'eau. 

Bien que cette méthode nécessite la consommation d'une grande quantité d'eau, elle peut contribuer à la diminution de 30 % des émissions carbones des centrales géothermiques et permettre de contenir le réchauffement climatique à 1,5°C.

 

Nouveau catalyseur innovant pour convertir le CO2 en éthanol

Le dernier rapport du Programme des Nations Unies pour l’Environnement dresse un constat décevant. Alors que la pandémie de coronavirus de 2020 a ralenti les émissions de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, la planète est toujours dans une trajectoire menant vers une élévation de plus de 3°C des températures globales, dépassant les 1,5 °C préconisés. 

L’accumulation des GES est ainsi désignée comme responsable de la situation, notamment celle du CO2 pour laquelle les scientifiques sont en quête permanente de solutions.

Les dernières recherches des chimistes ont ainsi de quoi rendre optimiste en dépit de la situation environnementale alarmante. Si la transformation de dioxyde de carbone en éthanol est une chimie maîtrisée depuis plusieurs années, la conception d’un catalyseur inédit redonne espoir face à cette quantité de CO2 dans l’atmosphère. 

Ce procédé promet de réduire les émissions de dioxyde de carbone en le transformant en éthanol tout en stockant de l’électricité issue d’une source d’énergie renouvelable.

Publiées dans la revue Nature, les recherches des scientifiques américains ont mené à l’élaboration d’un catalyseur formé de cuivre et de poudre de carbone. Ces substances réagissent avec le CO2 et l’eau dont les molécules se transforment en éthanol lorsque l’ensemble est soumis à un courant électrique.

Le principal intérêt est que la réaction chimique se déroule à température ambiante sans nécessairement requérir une tension électrique élevée. Les mesures effectuées par les scientifiques indiquent d’ailleurs que l’efficacité faradique de ce procédé dépasse 90 %, cet indice indiquant le rendement final de la réaction par rapport au rendement théorique.

 

Quel avantage pour l’environnement ?

Les intérêts de ce catalyseur innovant sont multiples, et en premier lieu pour l’environnement. Un procédé efficace permettant de réduire les émissions de CO2 en les transformant est plus qu’indispensable au moment où le défi est de lutter contre le changement climatique et la présence de ce gaz à effet de serre dans l’atmosphère. 

Convertir le dioxyde de carbone en une substance utile comme l’éthanol est un double avantage puisque de nombreux secteurs d’activités l’utilisent déjà.

D’autres atouts de ce procédé sont aussi en lien direct avec l’environnement, notamment le peu d’énergie nécessaire pour la réussite de la réaction. Aucune condition de température particulière n’est tout d’abord requise pour la transformation du CO2 en éthanol selon cette technique, réduisant de fait les préchauffages ou autres démarches synonymes de dépense énergétique. 

La réaction pouvant d’ailleurs être réussie à température ambiante, les scientifiques annoncent qu’il est possible de la déclencher et de la stopper autant que nécessaire. Cette qualité permet donc au catalyseur d’être utilisable même avec de l’électricité provenant d’une source renouvelable.

Ce procédé pourrait donc être efficace pour participer aux efforts de réduction de CO2 de la planète. 

Après le succès de la phase de recherche, les scientifiques annoncent d’ailleurs que la prochaine étape est déjà sur les rails, celle de l’application de la technique dans les industries.

 

Un matériau innovant pour limiter le taux de CO2 dans l'atmosphère

Afin de réduire considérablement les émissions carbone dans l'atmosphère, les chercheurs de la Chalmers University of Technology et de l’Université de Stockholm ont déployé un tout nouveau matériau capable de capter un taux élevé de dioxyde de carbone

Cette innovation se présente sous la forme d'une mousse constituée de gélatine, de cellulose et de zéolithe, un minéral reconnu pour sa particularité à absorber le CO2 dans une couche très dense.

D'origine biologique, ce matériau est une alternative plus écologique aux amines. Ce minéral durable et réutilisable a par ailleurs l’avantage d'absorber un volume important de dioxyde de carbone à faible coût d'exploitation par rapport aux solutions aminées qui nécessitent une quantité conséquente d'énergie.

Bien que certaines solutions de Séquestration Géologique du Dioxyde de Carbone ou SGDC se révèlent d'une grande aide pour réduire la concentration de GES dans l'atmosphère, limiter les émissions carbone des secteurs d'activité les plus polluants reste une priorité pour contenir l'impact du réchauffement climatique. 

 

Le captage et le stockage du carbone a-t-il un avenir ?

Présentées comme les « game-changer » de la neutralité carbone, les technologies de captage et de stockage de carbone, désignées par le sigle CSC, cristallisent beaucoup d’espoirs. 

Leur fonctionnement, fondé sur la récupération du CO2 rejeté dans l’atmosphère, offre en effet de belles promesses. La viabilité économique de ces procédés et leur réelle efficacité laissent toutefois songeur. Et si ces technologies étaient pires que les problèmes qu’elles sont censées résoudre ?

 

Les industries fossiles comme principaux bénéficiaires

Les technologies de captage et de stockage du CO2 ne datent pas d’hier. Leurs principes ont été évoqués et expérimentés dès les années 1950 dans l’industrie pétrolière. 

Sept décennies plus tard, cette « innovation » reste toujours au stade d’expérimentations, sauf dans certains sites d’extraction de combustibles fossiles en Amérique du Nord. Ces expériences à l’échelle industrielle reposent sur la récupération de CO2 des centrales énergétiques, en vue de les réinjecter dans d’anciens puits de pétrole. 

En usant d’un procédé de fluidification ou de compression, le carbone ainsi injecté fait remonter le pétrole subsistant dans ces anciens puits. Cette technologie a permis au site de Weyburn, au Canada, par exemple de prolonger sa durée de vie d’une vingtaine d’années et d’augmenter de manière considérable le volume de pétrole extrait.

Sur la vingtaine de systèmes de CSC existant actuellement, dix-neuf revendent le CO2 compressé à des compagnies pétrolières ou l’emploient directement dans des procédés d’extraction optimisée du pétrole, ce qui n’était pas vraiment le but à la base. 

Pour les autres industries, l’impossibilité de valoriser le carbone stocké limite fortement l’intérêt pour les procédés de CSC, qui se révèlent très coûteux. On estime actuellement le coût de l’opération du CSC entre 100 et 150 euros/tonne de CO2, alors qu’une tonne de carbone s’achète aujourd’hui 40 euros sur le marché du carbone.

L’enjeu de développement des CSC consiste donc à réduire considérablement l’unité de coût du carbone stocké, pour le rendre inférieur au cours actuel sur le marché. En attendant, on peut raisonnablement penser qu’une politique qui cherche à imposer ou instituer ces technologies n'est qu'un coup de pouce à peine déguisé à l’industrie fossile, qui est l’une des plus polluantes de la planète. Parler des CSC comme solutions révolutionnaires contre les émissions de CO2 relève de fait de l’ineptie.

 

Un défi technologique et logistique titanesque

Le CSC, au-delà de son coût, pose un défi énorme aux ingénieurs et aux scientifiques. Les volumes de CO2 à traiter exigent d’immenses travaux en construction de réseaux de transport et de centrales de stockage. Une centrale à charbon de 1,200 Mégawatts de capacité, comme celle de Cordemais, en Loire-Atlantique, brûle par exemple 12 kT de charbon par jour. Combien de CO2 peut-on récupérer sur ce site si l’on y installe un dispositif de CSC ?

Supposons que le charbon utilisé sur ce site soit de l’anthracite, contenant du carbone à 90 %. La centrale consomme donc au quotidien pas moins de 10 800 tonnes de carbone.

Or, à l’état gazeux, chaque atome de carbone s’associe à deux particules d’oxygène pour former un gaz 3,66 fois plus lourd que l’atome de carbone brûlé.

Après un rapide calcul, le besoin en récupération de cette seule centrale s’élève à 39,6 kT de CO2, auquel il faut ajouter les émissions liées à l’énergie nécessaire au transport, à l’enfouissement et à la compression du gaz.

Développer des capacités de capture et de stockage de CO2 à une échelle mondiale serait-il donc irréaliste ? La question mérite d’être sérieusement étudiée. 

La capacité des centrales à charbon en service dans le monde s’élève à 2 047 Gigawatts au premier semestre 2020. C’est plus de 1 700 fois celle du site de Cordemais. Dans l’hypothèse illusoire où toutes ces centrales seraient équipées d’une technologie de CSC, il faudrait donc construire et gérer des sites de compression, de transport et d’enfouissement capables de traiter chaque jour plus de 67 Mégatonnes de CO2 récupéré. Le défi technologique et logistique s’annonce d’emblée titanesque, en plus d’être très coûteux, donc très peu rentable pour les exploitants.

 

La nécessaire, mais improbable intervention des pouvoirs publics

Dans ces conditions, les entreprises industrielles ne pourraient jamais supporter seules le coût de mise en œuvre et d’exploitation des usines de CSC. Le soutien des politiques publiques semble plus que souhaitable pour financer l’installation de ces nouvelles technologies et leur utilisation à grande échelle. L’implication des gouvernements et des acteurs étatiques peut prendre plusieurs formes, et intervenir à tous les niveaux du développement des procédés de capture et de stockage du carbone. Les spécialistes recommandent entre autres l’instauration de fonds spéciaux destinés à financer directement les coûts d’apprentissage des techniques de CSC.

Ils préconisent également la mise en place de mesures incitatives, comme les crédits d’impôt à la production et les tarifs subventionnés des énergies impliquant un CSC. Ces dispositifs financiers seraient vains sans la création d’un cadre réglementaire au développement d’infrastructures de transport et de compression de CO2. Ces textes normatifs devraient aussi identifier clairement les responsabilités de chaque acteur en cas de fuite ou de dysfonctionnement des réseaux de stockage et d’acheminement du CO2.

Là encore, les pays engagés dans le développement de ces technologies manquent clairement de volonté politique, un déficit sans doute lié à la faible visibilité des retombées économiques et environnementales des CSC. A ces obstacles s’ajoutent les réticences de l’opinion publique, vis-à-vis d’abord de l’effort financier nécessaire au perfectionnement de ces systèmes, puis vis-à-vis des risques écologiques et sanitaires de l’enfouissement du CO2 dans le sous-sol. Une implication à grande échelle des États est donc hautement improbable, d’autant plus que la priorité actuelle penche plus en faveur de la reprise économique et industrielle.

Autrement dit, la baisse de 7 % des émissions carbone en 2020 sous l’effet de la crise sanitaire n’aura été que passagère. Les rejets de CO2 dans l’atmosphère vont reprendre leur marche en avant, avec la bénédiction des dirigeants et, indirectement, de la population. 

Au final, les problèmes d’émissions de gaz carbonique de l’industrie lourde sont intrinsèquement liés au modèle économique qui prévaut depuis des décennies et qui est fondé sur l’hyperconsommation et la croissance. 

Une refonte totale de cette organisation et de ce modèle de pensée serait donc le choix le plus évident et le plus efficace pour une réelle décarbonation de l’industrie. 

Sommes-nous prêts à de tels bouleversements ?

 

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