Technologie de capture du carbone :
Réduire les superpolluants pour limiter le réchauffement climatique

Shan Daniel

Le réchauffement climatique présente une série de risques importants pour l'humanité. La planète se réchauffe en raison de l'effet de serre, c'est-à-dire des gaz présents dans l'atmosphère terrestre qui piègent le rayonnement de grande longueur d'onde émis par la surface terrestre. Le principal gaz contribuant à cet effet est le dioxyde de carbone, émis lors de la combustion d'hydrocarbures pour produire de l'énergie. Les effets négatifs potentiels des émissions incontrôlées et du réchauffement climatique se traduisent par des phénomènes météorologiques extrêmes, des pertes agricoles et des inondations des régions côtières dues à la fonte des calottes glaciaires polaires. Par conséquent, il est crucial et urgent de modifier la dépendance énergétique mondiale vers des sources qui atténuent les effets négatifs du changement climatique. Cela peut être réalisé en réduisant la dépendance mondiale aux combustibles fossiles et autres substances émettrices de carbone et en optant pour des énergies renouvelables, comme le solaire, l'éolien, l'hydroélectricité, l'énergie marémotrice et le nucléaire, qui n'émettent pas de CO2 (1).

Cependant, depuis le début de la révolution industrielle, les concentrations atmosphériques de CO2 sont passées de 280 ppm à 430 ppm, soit l’équivalent de 1.18 × 10^12  tonnes métriques supplémentaires de CO2 dans notre atmosphère. Compte tenu de l'ampleur de ce changement, l'élimination du carbone émis dans l'atmosphère et son stockage de manière à éliminer son effet sur le réchauffement climatique constituent un sujet d'intérêt récent pour les climatologues.

Les procédés actuels de séquestration du carbone consistent à capter l'air ambiant et à le concentrer pour le stocker (2). Cela peut être réalisé grâce à une série de quatre réactions : la réaction 1 consiste à faire passer de l'air à travers une solution d'hydroxyde de potassium, où le CO₂ réagit avec l'eau pour former de l'acide carbonique, lequel subit une neutralisation acido-basique pour produire du carbonate de potassium et de l'eau. La réaction 2 régénère l'hydroxyde de potassium en faisant réagir le carbonate de potassium avec de l'hydroxyde de calcium pour produire du carbonate de calcium, insoluble dans l'eau. Dans la réaction 2, le carbonate de calcium solide est soumis à une décomposition thermique à des températures extrêmement élevées pour produire de l'oxyde de calcium et du dioxyde de carbone, qui sont émis par la réaction dans un environnement contrôlé où ils peuvent être stockés. Enfin, la réaction 3 implique que l'oxyde de calcium régénère l'hydroxyde de calcium une fois dissous dans l'eau. Bien que les réactions 4, 1 et 2 soient des réactions exergoniques favorables, la décomposition thermique du carbonate de calcium est extrêmement endothermique et nécessite un apport énergétique considérable, ce qui rend la séquestration industrielle du carbone coûteuse et difficile à maintenir (4). Le coût par tonne de CO3 éliminée de l'air ambiant est estimé entre 2 et 600 1000 dollars. En utilisant uniquement les technologies actuelles de séquestration du carbone, le coût de l'élimination d'une quantité suffisante de CO2 pour revenir aux niveaux préindustriels de CO2 atmosphérique s'élèverait à 708 25 milliards de dollars, soit environ 2023 fois le PIB américain en 4 (XNUMX).

Cette méthodologie n'est actuellement pas viable pour influencer significativement les niveaux de CO₂ dans notre atmosphère. L'innovation et l'amélioration de la troisième réaction du processus de séquestration du carbone ainsi que du stockage/de la vente du CO₂ produit peuvent réduire le coût global de ce processus, permettant sa mise en œuvre à plus grande échelle et un impact positif global plus important (2). La capture du méthane, un superpolluant nocif pour la santé et facteur de changement climatique, peut compléter les stratégies de séquestration du carbone en ciblant les polluants climatiques à courte durée de vie qui offrent des avantages immédiats pour la santé et le climat. Cependant, grâce à de nouvelles innovations visant à créer un procédé plus rentable et à la combinaison avec d'autres formes d'énergie renouvelables, la séquestration du carbone peut devenir un outil important pour atténuer les effets négatifs du changement climatique.

L'agriculture régénératrice (AR) est une méthode biologique de plus en plus reconnue ces dernières années. Elle propose une approche plus intégrée et durable de l'agriculture en mettant l'accent sur la restauration des sols et l'équilibre écologique à long terme (5). Contrairement à l'agriculture conventionnelle, souvent fortement dépendante des engrais et pesticides chimiques, l'AR privilégie les pratiques traditionnelles fondées sur la nature (6). Les cinq principes fondamentaux sur lesquels repose l'agriculture régénératrice pour améliorer la santé des sols sont : minimiser les perturbations, maximiser la diversité des cultures, maintenir une couverture végétale continue, maintenir des racines vivantes dans le sol tout au long de l'année et intégrer l'élevage, notamment les bovins, aux systèmes agricoles.

Bien qu'elle soit l'une des approches les plus efficaces pour une agriculture durable et le stockage du carbone atmosphérique, l'AR se heurte à plusieurs obstacles pour une mise en œuvre généralisée (7). Cette approche est chronophage et exige une gestion rigoureuse et cohérente. Les agriculteurs doivent adopter de nouvelles techniques et approfondir leur compréhension de la biologie des sols, des interactions entre les plantes et des pratiques écosystémiques pour gérer efficacement leurs terres. Ces changements nécessitent souvent une formation technique et un engagement à long terme, ce qui n'est pas envisageable pour toutes les communautés agricoles.

Cependant, si l'AR est soutenue par une mise en œuvre et une intégration cohérentes de technologies modernes – telles que les drones, les capteurs et la robotique agricole – elle a le potentiel de devenir l'une des stratégies à long terme les plus fiables pour le stockage du carbone (8). Ces technologies peuvent améliorer la précision et l'efficacité des pratiques de gestion des terres, facilitant ainsi le suivi de la santé des sols, l'optimisation de la rotation des cultures et la réduction des tâches à forte intensité de main-d'œuvre. Par exemple, une étude révèle que le sol a la capacité de séquestrer jusqu'à 3.4 gigatonnes de carbone par an grâce aux pratiques agricoles (9). Atteindre une telle échelle de séquestration nécessiterait toutefois la plantation d'environ 5.72 × 10¹¹ arbres par an.

Le processus de RA implique plusieurs étapes biologiques et chimiques interconnectées qui contribuent au stockage à long terme du carbone dans les sols. Il commence par la multiplication des cultures, des arbres et des plantes, qui jouent un rôle essentiel dans la capture du dioxyde de carbone atmosphérique (CO₂) par la photosynthèse. Lors de la photosynthèse, les plantes convertissent le CO₂ et l'eau en glucose (C₆H₁₂O₆) et en oxygène (O₂), selon la réaction suivante : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Le glucose produit est non seulement utilisé pour la croissance des plantes, mais il est également exsudé par les racines dans le sol pour soutenir les communautés microbiennes. Ces exsudats racinaires stimulent la respiration et l'activité microbiennes dans la rhizosphère, améliorant ainsi le cycle des nutriments. Une partie du carbone organique est finalement stabilisée par un processus appelé humification, où les résidus microbiens et végétaux sont transformés en substances humiques complexes. Ces substances forment une matière organique stable qui peut y rester pendant des décennies, stockant ainsi efficacement le carbone dans le sol.

Bien que l'AR soit une approche hautement durable, des progrès significatifs grâce à cette méthode nécessitent une réduction simultanée des émissions de carbone anthropiques. Une étude indique que la quantité annuelle de dioxyde de carbone émise par les activités humaines dépasse la quantité séquestrée par les pratiques agricoles régénératrices (budget annuel mondial). Par exemple, en 2023, 36.8 gigatonnes de CO2 ont été émises, contre 3.4 gigatonnes de carbone séquestrées par an grâce à l'AR.

Le béton est un matériau de construction omniprésent ; on le retrouve dans nos routes, nos trottoirs, nos bâtiments, nos ponts et nos tunnels. De fait, le béton est la deuxième substance la plus utilisée au monde, après l'eau, et « on utilise deux fois plus de béton dans la construction que tous les autres matériaux de construction réunis » (12). Actuellement, le monde produit 30 milliards de tonnes de béton chaque année, et la demande mondiale ne fait qu'augmenter, notamment avec l'accélération de l'industrialisation dans de nombreux pays du Sud (13). Malheureusement, le béton a un coût énergétique.

Le ciment, un composant clé du béton, est créé via un processus connu sous le nom de calcination — un mélange de calcaire et d'argile est chauffé à des températures très élevées, ce qui provoque une réaction chimique produisant du dioxyde de carbone (CO ₂ ) et de la chaux (CaO). La chaux est ensuite mélangée à de l'argile et chauffée à nouveau pour former du ciment. Enfin, ce ciment réagit avec l'eau pour former divers produits d'hydratation, qui durcissent et lient les granulats (principalement du sable, du gravier et de la pierre concassée), formant ainsi ce que nous appelons le béton.

Cependant, lorsque l’apport énergétique important nécessaire pour chauffer le ciment et le CO ₂  Si l'on tient compte des émissions de CO0.85 libérées lors de la calcination, il apparaît clairement que le béton a une empreinte carbone considérable. En effet, une tonne de ciment libère XNUMX tonne de COXNUMX. ₂ , et l'industrie du béton produit 4 à 8 % des émissions mondiales de carbone (14). Actuellement, aucun autre matériau de construction n'est capable d'égaler la polyvalence, le faible coût et la facilité de production du béton, mais existe-t-il un moyen de réduire l'empreinte carbone du béton tout en réduisant potentiellement les coûts pour l'industrie ?

Il s'avère que, malgré le fait qu'il émette du dioxyde de carbone pendant le processus de mélange, le béton absorbe également du carbone par une réaction chimique passive connue sous le nom de carbonatation par altération. Au cours de ce processus, l'hydroxyde de calcium (Ca(OH) ₂ , également connu sous le nom de portlandite), un sous-produit des réactions d'hydratation dans le béton, réagit avec le dioxyde de carbone de l'air pour former du carbonate de calcium (CaCO ₃ , également connu sous le nom de calcite). Il s'agit d'une forme de séquestration du carbone — le carbone de l'air (CO ₂ ) est « séquestré » sous forme minérale au sein de la structure moléculaire du béton.

Cependant, en tant que stratégie potentielle pour atténuer le changement climatique et réduire l'empreinte carbone de l'industrie du béton, ce procédé présente plusieurs inconvénients. Le premier est simplement sa très grande lenteur : une tonne de béton absorbe jusqu'à 0.9 kg de CO. ₂  par an par carbonatation due aux intempéries, bien que cette valeur dépende fortement des conditions environnementales telles que l'humidité et la température (13). Cela signifie que l'absorption de carbone qui se produit lors de la carbonatation due aux intempéries est bien inférieure au carbone émis par l'industrie. Le deuxième inconvénient est qu'en cas d'exposition prolongée au CO ₂ Le gel de silicate de carbone hydraté (CSH), qui contribue à la cohésion du béton, se décompose et le béton commence à se dégrader. Cependant, les réactions chimiques de base qui se produisent lors de la carbonatation due aux intempéries peuvent servir de modèle pour concevoir une technique de séquestration du carbone dans le béton, rapide et active, plutôt que lente et passive.

Il s’avère que l’industrie a actuellement deux méthodes. La première s'appelle carbonatation minérale, et constitue essentiellement une « imitation rapide de l'altération des roches » (13). La carbonatation minérale cible les composés liants ; normalement, le ciment est simplement mélangé à de l'eau pour former les produits d'hydratation qui lient les granulats du béton. Cependant, si le CO ₂  est dissous dans l'eau pour former de l'acide carbonique (H ₂ CO ₃ ), les ions hydronium de l'acide décomposent les oxydes de silicate du ciment, libérant ainsi les ions calcium et magnésium du ciment pour former des carbonates stables. Selon une étude, la carbonatation minérale commerciale pourrait séquestrer jusqu'à 3 Gt de carbone par an.

La deuxième méthode cible le béton lui-même. Le béton est souvent durci après avoir été malaxé afin d'assurer des réactions d'hydratation rapides, ce qui a des effets bénéfiques sur sa durabilité et sa résistance à long terme. La vapeur est le moyen habituel de durcissement du béton, car elle permet une température et une humidité relative élevées (15), mais le CO ₂  peut également être utilisé pour le même effet. Ce procédé, où le CO ₂  Le gaz injecté dans le béton jeune (c'est-à-dire au plus quelques jours après le mélange) est connu sous le nom de séchage par carbonatation. De la même manière que la carbonatation minérale, le durcissement par carbonatation implique la réaction des oxydes de silicate avec l'eau et le CO ₂  pour former CaCO ₃ .

Bien sûr, obtenir du CO pur ₂  Le gaz, ainsi que la conception et l'entretien des chambres de réaction fermées nécessaires au durcissement, représentent un coût supplémentaire pour le fabricant. Il est toutefois possible de réduire ces coûts en remplaçant les liants et granulats traditionnels par des alternatives recyclées pour produire ce que l'industrie appelle le « béton vert ». Par exemple, le ciment Portland, composant typique du béton, peut être partiellement ou totalement remplacé par des cendres volantes (un sous-produit de l'industrie du charbon) ou des scories d'acier, car tous deux contiennent les oxydes nécessaires aux réactions d'hydratation. Une étude a révélé que le remplacement du ciment Portland par un mélange de cendres volantes et de chaux a donné un mélange de béton présentant un degré de carbonatation de 78 %, contre 32 % pour le mélange témoin de ciment Portland (13).

De plus, le gravier et la pierre concassée, choix habituel pour les granulats grossiers, peuvent être remplacés par des sous-produits de démolition (briques concassées, béton, etc.). La carbonatation minérale peut également être réalisée sur ces granulats pour accroître leur résistance et leur durabilité, ainsi que leur capacité à séquestrer le carbone. Enfin, les granulats fins (généralement du sable) peuvent être remplacés par du biochar, qui présente l'avantage supplémentaire d'être un produit de la séquestration du carbone lui-même (le biochar se forme par combustion de matière organique à très haute température dans un environnement pauvre en oxygène, conduisant à la formation de structures carbonées stables). Certaines études ont montré que le biochar peut accélérer les réactions d'hydratation lors du durcissement par carbonatation précoce, ce qui conduit à une résistance à la compression plus élevée (16). Le biochar est également très poreux, ce qui signifie qu'il présente davantage de sites où les réactions de carbonatation peuvent se produire.

Contrairement au CCS ou à l'agriculture régénératrice, le béton vert ne nécessite pas de transformation majeure de l'industrie existante ni la création d'une nouvelle filière ; il suffit d'incorporer des sous-produits recyclés dans l'adjuvant du béton et d'utiliser des technologies de durcissement par carbonatation plutôt que la vapeur. Les cimentiers ont désormais les moyens d'investir dans un avenir plus adapté au climat, où nous construirons nos villes à partir de CO séquestré. ₂ .