Un rendu de l'usine d'élimination du dioxyde de carbone à grande échelle de Carbon Engineering, qui utilisera la capture directe de l'air. Crédit :Carbon Engineering Ltd.
Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) affirme que limiter le réchauffement climatique à 1,5 °C pourrait éviter les effets les plus catastrophiques du changement climatique. Dans son récent rapport, il a exposé quatre moyens d'y parvenir — et tous reposent sur l'élimination du dioxyde de carbone de l'atmosphère. En effet, même si nous réduisons la plupart de nos émissions de carbone à zéro, les émissions provenant de l'agriculture et du transport aérien seraient difficiles à éliminer complètement. Et comme le dioxyde de carbone déjà présent dans l'atmosphère peut affecter le climat pendant des centaines voire des milliers d'années, le GIEC maintient que les technologies d'élimination du dioxyde de carbone (CDR) seront essentielles pour éliminer 100 à 1 000 gigatonnes de CO2 ce siècle.
Comment éliminer le dioxyde de carbone ?
Il existe une variété de stratégies CDR, tous à différents stades de développement, et dont le coût varie, avantages et risques. Approches CDR qui emploient des arbres, les plantes et le sol pour absorber le carbone sont utilisés à grande échelle depuis des décennies; d'autres stratégies qui reposent davantage sur la technologie en sont pour la plupart au stade de la démonstration ou du pilote. Chaque stratégie a des avantages et des inconvénients.
Boisement et reboisement
Au fur et à mesure que les plantes et les arbres poussent, ils prélèvent le dioxyde de carbone de l'atmosphère et le transforment en sucres par photosynthèse. De cette façon, Les forêts américaines absorbent 13 pour cent des émissions de carbone du pays; au niveau mondial, les forêts stockent près d'un tiers des émissions mondiales.
Planter des arbres supplémentaires pourrait éliminer plus de carbone de l'atmosphère et le stocker pendant longtemps, ainsi que d'améliorer la qualité des sols à un coût relativement faible—0 $ à 20 $ par tonne de carbone. Le boisement consiste à planter des arbres là où il n'y en avait pas auparavant; le reboisement signifie restaurer les forêts où les arbres ont été endommagés ou épuisés.
Boisement, cependant, pourraient rivaliser pour les terres utilisées pour l'agriculture, tout comme la production alimentaire doit augmenter de 70 pour cent d'ici 2050 pour nourrir la population mondiale croissante. Elle pourrait également affecter la biodiversité et les services écosystémiques.
Et bien que les forêts puissent séquestrer le carbone pendant des décennies, ils mettent de nombreuses années à se développer et peuvent devenir saturés en quelques décennies, voire des siècles. Ils nécessitent également une gestion prudente car ils sont soumis aux impacts humains et naturels tels que les feux de forêt, sécheresse et infestations de ravageurs.
Séquestration du carbone du sol
Le carbone que les plantes absorbent de l'atmosphère lors de la photosynthèse devient une partie du sol lorsqu'elles meurent et se décomposent. Il peut y rester des millénaires ou se libérer rapidement selon les conditions climatiques et la gestion du sol. Travail du sol minimal, cultures de couverture, la rotation des cultures et le fait de laisser des résidus de culture sur le terrain aident les sols à stocker plus de carbone.
Le GIEC, qui considère que la séquestration du carbone dans le sol a la capacité de réduire le CO2 au moindre coût (0 à 100 $ la tonne) estime que la séquestration du carbone dans le sol pourrait éliminer entre 2 et 5 gigatonnes de dioxyde de carbone par an d'ici 2050. Par comparaison, les centrales électriques du monde ont émis 32,5 gigatonnes de CO2 en 2017.
La séquestration du carbone du sol pourrait être déployée immédiatement, et améliorerait la santé des sols et augmenterait le rendement des cultures ; en outre, cela ne mettrait pas à l'épreuve les ressources en terre et en eau. Mais alors que le sol stocke de grandes quantités de carbone au début, il peut devenir saturé au bout de 10 à 100 ans, selon le climat, type de sol et comment il est géré.
Bioénergie avec captage et stockage du carbone (BECCS)
Si nous brûlons des installations pour produire de l'énergie dans une centrale électrique et captons et stockons les émissions qui en résultent, le CO2 que les plantes absorbaient auparavant est retiré de l'atmosphère. Le CO2 peut ensuite être utilisé pour une récupération assistée du pétrole ou injecté dans la terre où il est séquestré dans des formations géologiques.
Le GIEC estime que BECCS pourrait éliminer entre 0,5 et 5 gigatonnes de carbone par an d'ici 2050. Pour absorber suffisamment de carbone pour maintenir le monde à 2˚, cependant, les cultures énergétiques devraient être plantées sur une superficie jusqu'à trois fois la taille de l'Inde, selon une estimation; et des quantités encore plus petites de BECCS entreraient en concurrence avec les terres nécessaires à la production alimentaire. Une étude a conclu que le BECCS à grande échelle pourrait entraîner une baisse de la couverture forestière mondiale de 10 pour cent et nécessiter deux fois plus d'eau que ce qui est actuellement utilisé dans le monde pour l'agriculture. BECCS pourrait également finir par avoir un impact sur la biodiversité et les services écosystémiques, et générer des émissions de gaz à effet de serre par l'agriculture et l'utilisation d'engrais.
À ce point, BECCS est cher. À l'heure actuelle, il n'y a qu'un seul projet BECCS en activité dans le monde :une usine d'éthanol à Decatur, IL qui a capturé et stocké plus de 1,4 million de tonnes de C02. Parce qu'il y a si peu de projets de recherche et que BECCS n'est pas testé à grande échelle, il est encore à un stade précoce de développement. Alors que les estimations de coûts actuelles pour BECCS varient entre 30 $ et 400 $ par tonne de CO2, des études prévoient que les coûts pourraient chuter à 100 à 200 dollars par tonne de carbone d'ici 2050. Néanmoins, BECCS est considéré comme l'une des stratégies d'élimination du dioxyde de carbone les plus potentiellement efficaces pour fournir un stockage de carbone à long terme.
Les Académies nationales des sciences, Des projets d'ingénierie et de médecine qui, compte tenu de ce que nous savons aujourd'hui, boisement et reboisement, séquestration du carbone du sol, et BECCS, ainsi que des pratiques de gestion forestière durable (telles que l'éclaircissage des forêts et les brûlages dirigés) pourraient être intensifiés pour capturer et stocker 1 gigatonne de carbone par an aux États-Unis et 10 gigatonnes dans le monde. Cependant, cela nécessiterait d'énormes changements dans l'agriculture, gestion des déchets forestiers et de la biomasse.
Minéralisation du carbone
Reboisement dans le sud de l'Oregon. Crédit :Photo :Downtowngal
Cette stratégie exploite un processus naturel dans lequel des matériaux réactifs comme la péridotite ou la lave basaltique se lient chimiquement au CO2, formant des minéraux carbonatés solides tels que le calcaire qui peuvent stocker du CO2 pendant des millions d'années. Les matériaux réactifs peuvent être combinés avec des fluides porteurs de CO2 dans les stations de captage du carbone, ou le fluide peut être pompé dans des formations rocheuses réactives où ils se produisent naturellement.
Les scientifiques de l'Observatoire terrestre de Lamont-Doherty de l'Earth Institute travaillent depuis plusieurs années sur la minéralisation du carbone, et trouvent des moyens d'accélérer la réaction naturelle pour augmenter l'absorption de CO2 et le stocker de façon permanente. Le professeur-chercheur Lamont David Goldberg et ses collègues, par exemple, étudient la faisabilité de stocker 50 millions de tonnes ou plus de CO2 dans des réservoirs de basalte dans le nord-ouest du Pacifique. Plus de 20 ans, le projet injecterait du CO2 d'origine industrielle, comme les usines de fabrication et les centrales électriques à combustibles fossiles, dans le basalte à 200 milles au large, sur le flanc est de la crête Juan de Fuca. Là, sous 2600 mètres d'eau et encore 200 mètres de sédiments, le réservoir de basalte contient des espaces poreux qui se rempliraient à mesure que le CO2 se minéraliserait en calcaire carbonaté. Dans cette zone, le basalte réagit rapidement et la minéralisation pourrait ne prendre que deux ans ou moins. L'équipe de Goldberg a analysé des facteurs, notamment la façon de transporter le CO2, comment il réagirait chimiquement, et comment le site pourrait être surveillé au fil du temps.
La prochaine étape consiste à y lancer un projet pilote pour en stocker 10, 000 tonnes de CO2. « Un projet pilote est essentiel pour faire avancer les choses pour la minéralisation du carbone basaltique offshore, tant pour des raisons techniques que réglementaires, " a déclaré Goldberg. Cela permettrait aux chercheurs d'expérimenter différents types d'injections, par exemple, s'ils doivent être continus ou intermittents, et répondre à des questions telles que « à quelle vitesse l'espace interstitiel se remplit-il ? » qui ne peut être testé que sur le terrain. En outre, un projet pilote est essentiel pour comprendre les implications réglementaires de la minéralisation du carbone, puisqu'il n'existe actuellement aucune réglementation. Le Canada et les États-Unis ne commenceraient à créer un cadre réglementaire que lorsqu'ils auront un projet pilote. Goldberg dit qu'ils sont toujours à la recherche de financement pour un projet pilote, mais "Il y a beaucoup d'intérêt."
Depuis 2012, CarbFix, un projet islandais sur lequel Goldberg a également travaillé, capte le carbone et le minéralise dans la plus grande centrale géothermique du pays gérée par Reykjavik Energy. Alors que la centrale fonctionne à l'énergie géothermique renouvelable, il émet encore une petite quantité de CO2; CarbFix injecte 12, 000 tonnes de CO2 par an dans le sol pour 30 $ la tonne.
Parce que la minéralisation du carbone tire parti des processus chimiques naturels, il a le potentiel de fournir une solution économique, moyen non toxique et permanent de stocker d'énormes quantités de carbone. Cependant, il reste encore des questions techniques et environnementales auxquelles il faut répondre - selon le rapport des National Academies, la minéralisation du carbone pourrait éventuellement contaminer les ressources en eau ou déclencher des tremblements de terre.
Capture directe de l'air
La capture directe de l'air aspire le dioxyde de carbone de l'air en utilisant des ventilateurs pour déplacer l'air sur des substances qui se lient spécifiquement au dioxyde de carbone. (Ce concept est basé sur le travail de "l'arbre artificiel" de Klaus Lackner, directeur du Center for Negative Carbon Emissions de l'Arizona State University, qui a été pendant de nombreuses années le directeur du Centre Lenfest de l'Earth Institute pour l'énergie durable.) La technologie utilise des composés dans une solution liquide ou dans un revêtement sur un solide qui capturent le CO2 lorsqu'ils entrent en contact avec lui ; lorsqu'il est ensuite exposé à la chaleur et à des réactions chimiques, ils libèrent le CO2, qui peut ensuite être compressé et stocké sous terre. Les avantages de la capture directe de l'air sont qu'il s'agit en fait d'une technologie à émissions négatives :elle peut éliminer le carbone déjà présent dans l'atmosphère, au lieu de capturer les nouvelles émissions générées - et les systèmes pourraient être situés presque n'importe où.
Dans une centrale à charbon, environ une molécule sur dix dans les gaz d'échappement est du CO2, mais le CO2 dans l'atmosphère est moins concentré. Un seul sur 2, 500 molécules c'est du CO2, le processus d'élimination du CO2 est donc plus coûteux que le captage du carbone des centrales à combustibles fossiles. La capture directe de l'air a commencé à 600 $ la tonne de carbone; actuellement, il coûte 100 à 200 $ la tonne, c'est toujours cher, en partie parce qu'il n'y a pas d'incitations économiques (telles qu'une taxe sur le carbone) ou d'avantages environnementaux secondaires (tels qu'une meilleure qualité des sols) pour éliminer le CO2 de l'air. Améliorer la technologie pour que le CO2 puisse être capté plus efficacement, et/ou vendre le CO2 capté peut faire baisser le prix. Trois sociétés—Swiss Climeworks, Ingénierie canadienne du carbone, et American Global Thermostat—y travaillent.
La première usine commerciale de Climeworks près de Zurich en capture 1, 000 tonnes de CO2 par an, qui est utilisé dans une serre pour augmenter les rendements des cultures de 20 pour cent. En 2017, la société a installé une unité de capture directe de l'air en démonstration à l'usine islandaise de Reykjavik Energy pour capturer une petite quantité de CO2 qui est ensuite stockée sous terre par CarbFix.
Climeworks compte aujourd'hui 14 installations de captage direct d'air construites ou en construction en Europe; son usine italienne utilise le CO2 capté pour fabriquer du méthane carburant pour les camions.
Ingénierie du carbone, qui revendique Bill Gates comme investisseur, possède une usine dans l'ouest du Canada qui peut capter un million de tonnes de CO2 par année. Il projette qu'à grande échelle, il pourrait éliminer le CO2 pour 100 $ à 150 $ la tonne. Son objectif est d'utiliser le CO2 pour fabriquer des hydrocarbures synthétiques neutres en carbone, ce qui réduirait encore son coût. L'entreprise soutient qu'une installation utilisant ce procédé « Air to Fuels », une fois agrandi, pourrait produire du carburant à moins de 1 dollar le litre.
Thermostat Global, qui construit sa première usine à Huntsville, AL, vise à faire baisser son prix à 50 dollars la tonne en vendant le CO2 capté à une entreprise de soda. L'entreprise construirait de petites "usines de capture" sur place dans les installations du fabricant de soda, réduisant ainsi les coûts d'énergie et de transport.
Une étude prévoyait que la capture directe de l'air pourrait aspirer de 0,5 à 5 gigatonnes de CO2 par an d'ici 2050, avec peut-être 40 gigatonnes d'ici 2100. Cependant, la capture directe à grande échelle de l'air pourrait éventuellement avoir des impacts environnementaux résultant de l'extraction, raffinage, transport et élimination des déchets des minéraux qui captent les émissions de carbone.
Alors que la capture directe de l'air a un grand potentiel pour l'élimination du dioxyde de carbone, il est encore à un stade précoce de développement. Heureusement, il reçoit un certain soutien du Congrès sous la forme de la loi FUTURE (la poursuite de la capture du carbone, Utilisation, La technologie, Stockage souterrain, et Loi sur les émissions réduites). La loi double les crédits d'impôt pour le captage et le stockage permanent du dioxyde de carbone dans les formations géologiques et son utilisation pour la récupération assistée du pétrole; pour les entreprises qui convertissent le carbone en d'autres produits comme le ciment, produits chimiques, plastiques et carburants; et offre un crédit d'impôt de 35 $ par tonne de CO2 via le captage direct de l'air.
Altération améliorée
Les roches et le sol s'altèrent en réagissant avec le CO2 dans l'air ou sous les pluies acides, qui se produit naturellement lorsque le CO2 dans l'air se dissout dans l'eau de pluie. Les rochers s'effondrent, créer du bicarbonate, un puits de carbone, qui est finalement transporté dans l'océan où il est stocké. L'altération améliorée accélère ce processus en répandant la roche pulvérisée, comme le basalte ou l'olivine, sur des terres agricoles ou sur l'océan. Il pourrait être broyé et répandu sur les champs et les plages, et même utilisé pour les chemins et les terrains de jeux.
Reboisement dans le sud de l'Oregon. Crédit :Photo :Downtowngal
Une altération accrue pourrait améliorer la qualité du sol, et comme le bicarbonate alcalin se lave dans l'océan, cela pourrait aider à neutraliser l'acidification des océans. Mais cela pourrait aussi potentiellement altérer le pH et les propriétés chimiques du sol, et affectent les écosystèmes et les eaux souterraines. Exploitation minière, le broyage et le transport de la roche seraient coûteux, nécessitent beaucoup d'énergie et produisent des émissions de carbone supplémentaires ainsi qu'une pollution de l'air. En raison des nombreuses variables et du fait que la plupart des évaluations de l'altération améliorée n'ont pas été testées sur le terrain, les estimations de coûts varient considérablement.
alcalinisation des océans, considéré comme un type d'altération améliorée, implique l'ajout de minéraux alcalins, comme l'olivine, à la surface de l'océan pour augmenter l'absorption de CO2 et contrer l'acidification des océans. Une étude a estimé que cette stratégie pourrait séquestrer entre 100 tonnes et 10 gigatonnes de CO2 par an, pour des coûts allant de 14 $ à plus de 500 $ la tonne. Ses impacts écologiques, cependant, sont inconnus.
Fertilisation des océans
La fertilisation des océans ajouterait des nutriments, souvent le fer, à l'océan pour provoquer des proliférations d'algues, qui absorberait plus de CO2 grâce à la photosynthèse. Cependant, en stimulant la croissance du phytoplancton, base de la chaîne alimentaire, la fertilisation des océans pourrait affecter la productivité alimentaire locale et régionale. De vastes proliférations d'algues pourraient également provoquer une eutrophisation et entraîner des zones mortes appauvries en oxygène. En plus de ses impacts écosystémiques possibles, il a également moins de potentiel de séquestration du carbone à long terme.
Carbone bleu côtier
Marais salants, mangrove, les herbes marines et autres plantes des zones humides intertidales sont responsables de plus de la moitié du carbone séquestré dans les écosystèmes océaniques et côtiers. Ce carbone bleu peut être stocké pendant des millénaires dans les plantes et les sédiments. Cependant, les zones humides sont détruites par le ruissellement et la pollution, sécheresse et développement côtier - une zone d'herbes marines de la taille d'un terrain de football est perdue toutes les demi-heures. La restauration et la création de zones humides et leur meilleure gestion pourraient potentiellement doubler leur stockage de carbone. Des zones humides saines offrent également une protection contre les tempêtes, améliorer la qualité de l'eau et soutenir la vie marine.
Il existe peu d'estimations du potentiel d'élimination du carbone du carbone bleu, mais les coûts seraient faibles à nuls.
Et quelques idées pour l'avenir
Y Combinateur, une organisation qui finance des startups prometteuses, a lancé un appel à toute personne travaillant sur de nouveaux types de technologies d'élimination du dioxyde de carbone, dont aucun n'a encore été testé en dehors d'un laboratoire. Spécifiquement, ils recherchent des projets dans quatre domaines :
Que faut-il pour faire progresser l'élimination du dioxyde de carbone ?
Chaque technologie CDR est réalisable à un certain niveau, mais a des incertitudes sur le coût, La technologie, la rapidité de mise en œuvre éventuelle, ou des impacts environnementaux. Il est clair que personne ne fournit à lui seul la solution ultime au changement climatique.
« L'élimination du dioxyde de carbone à elle seule ne peut pas le faire, " a déclaré Kate Gordon, membre du Columbia Center on Global Energy Policy. « S'il y a une chose que le rapport du GIEC souligne vraiment, c'est que nous avons besoin d'un portefeuille, nous devons réduire considérablement les émissions, nous devons proposer davantage d'options d'énergie renouvelable pour remplacer les combustibles fossiles, nous devons électrifier beaucoup de choses qui fonctionnent actuellement au pétrole, puis nous devons éliminer énormément de carbone. » À court terme, elle aimerait voir davantage de déploiement et d'accélération de stratégies éprouvées, comme la plantation d'arbres et des pratiques agricoles plus durables.
En réalité, une nouvelle étude vient de déterminer que la plantation d'arbres et l'amélioration de la gestion des prairies, les terres agricoles et les zones humides pourraient séquestrer 21 % des émissions annuelles de gaz à effet de serre des États-Unis à un coût relativement faible.
Le développement des autres stratégies d'élimination du dioxyde de carbone nécessitera des sommes considérables.
« La communauté de la philanthropie climatique doit en fait reconnaître cela comme faisant partie de la solution climatique – il est vraiment important que [CDR] fasse partie de ce portefeuille, " a déclaré Gordon. " Nous avons également besoin d'un budget fédéral de R&D assez important consacré à ces stratégies afin que nous puissions commencer à améliorer la technologie et mieux comprendre combien cela coûte de faire chacune de ces choses, à quel point ils sont efficaces et à quel point ils sont sûrs."
La mise en place d'une incitation financière pour éliminer le carbone, telle qu'une taxe sur le carbone ou des pénalités pour les émissions de carbone, serait également utile.
"C'est la prochaine frontière de l'énergie, conversation sur le climat et la technologie, " a déclaré Gordon. " Nous devons être en avance sur cette chose si nous voulons rester compétitifs - si nous voulons continuer à avoir la plupart des brevets mondiaux sur l'énergie propre et l'énergie avancée… Sinon, nous l'achèterons à quelqu'un d'autre, parce que quelqu'un va le faire."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de Earth Institute, Université de Columbia http://blogs.ei.columbia.edu. L'article original est ici.
