Pour que le carbone soit séquestré artificiellement (c’est-à-dire sans utiliser les processus naturels du cycle du carbone), il doit d’abord être capturé, ou il doit être considérablement retardé ou empêché d’être à nouveau libéré dans l’atmosphère (par combustion, décomposition, etc.) à partir d’un matériau existant riche en carbone, en étant incorporé dans un usage durable (comme dans la construction). Par la suite, il peut être stocké de manière passive ou rester utilisé de manière productive au fil du temps de diverses manières.
Par exemple, lors de la récolte, le bois (en tant que matériau riche en carbone) peut être immédiatement brûlé ou servir de combustible, renvoyant son carbone dans l’atmosphère, ou il peut être incorporé dans la construction ou dans une gamme d’autres produits durables, séquestrant ainsi son carbone pendant des années, voire des siècles.
Un bâtiment très soigneusement conçu et durable, économe en énergie et capturant l’énergie, a le potentiel de séquestrer (dans ses matériaux de construction riches en carbone), autant ou plus de carbone que celui qui a été libéré par l’acquisition et l’incorporation de tous ses matériaux et que celui qui sera libéré par les « importations d’énergie » liées aux fonctions du bâtiment pendant l’existence (potentiellement pluri-centenaire) de la structure. Une telle structure pourrait être qualifiée de « neutre en carbone » ou même de « négative en carbone ». On estime que la construction et l’exploitation des bâtiments (consommation d’électricité, chauffage, etc.) contribuent à près de la moitié des ajouts annuels de carbone d’origine humaine dans l’atmosphère.
Les usines de purification du gaz naturel doivent déjà souvent éliminer le dioxyde de carbone, soit pour éviter que la glace sèche n’obstrue les camions-citernes de gaz, soit pour empêcher que les concentrations de dioxyde de carbone ne dépassent le maximum de 3 % autorisé sur le réseau de distribution du gaz naturel.
A part cela, l’une des premières applications les plus probables du captage du carbone est la capture du dioxyde de carbone des gaz de combustion dans les centrales électriques (dans le cas du charbon, cette atténuation de la pollution du charbon est parfois appelée « charbon propre »). Une nouvelle centrale électrique au charbon typique de 1000 MW produit environ 6 millions de tonnes de dioxyde de carbone par an. L’ajout de la capture du carbone aux centrales existantes peut augmenter considérablement les coûts de production de l’énergie ; hormis les coûts d’épuration, une centrale au charbon de 1000 MW nécessitera le stockage d’environ 50 millions de barils (7 900 000 m3) de dioxyde de carbone par an. Cependant, l’épuration est relativement abordable lorsqu’elle est ajoutée aux nouvelles centrales basées sur la technologie de gazéification du charbon, où l’on estime qu’elle fait passer les coûts énergétiques des ménages américains utilisant uniquement des sources d’électricité au charbon de 10 cents par kW-h à 12 cents.
Édition Bâtiments
Selon une équipe internationale de scientifiques interdisciplinaires dans une étude de 2020, l’adoption à grande échelle du bois de masse et sa substitution à l’acier et au béton dans les nouveaux projets de construction de moyenne hauteur au cours des prochaines décennies a le potentiel de transformer les bâtiments en bois en un puits de carbone mondial, car ils stockent le dioxyde de carbone prélevé dans l’air par les arbres qui sont récoltés et utilisés comme bois d’ingénierie. Constatant le besoin démographique de nouvelles constructions urbaines pour les trente prochaines années, l’équipe a analysé quatre scénarios de transition vers la construction de nouveaux immeubles de taille moyenne en bois massif. Dans l’hypothèse du statu quo, seuls 0,5 % des nouveaux bâtiments dans le monde seraient construits en bois d’ici 2050 (scénario 1). Ce chiffre pourrait être porté à 10 % (scénario 2) ou à 50 % (scénario 3), en supposant que la fabrication de bois de masse augmente à mesure que la révolution matérielle remplaçant le ciment et l’acier dans la construction urbaine par le bois prend de l’ampleur. Enfin, si les pays dont le niveau d’industrialisation est actuellement faible, par exemple l’Afrique, l’Océanie et certaines parties de l’Asie, effectuent également la transition vers le bois (y compris le bambou), il est possible d’envisager une proportion de 90 % de bois d’ici 2050 (scénario 4). Cela pourrait permettre de stocker entre 10 millions de tonnes de carbone par an dans le scénario le plus bas et près de 700 millions de tonnes dans le scénario le plus haut. L’étude a révélé que ce potentiel pourrait être réalisé à deux conditions. Premièrement, les forêts exploitées devraient être gérées, gouvernées et utilisées de manière durable. Deuxièmement, le bois des bâtiments en bois démolis devrait être réutilisé ou conservé sur terre sous diverses formes.
Capture du carboneModification
À l’heure actuelle, la capture du dioxyde de carbone est réalisée à grande échelle par absorption du dioxyde de carbone sur divers solvants à base d’amines. D’autres techniques sont actuellement à l’étude, telles que l’adsorption à pression alternée, l’adsorption à température alternée, les membranes de séparation des gaz, la cryogénie et le captage des fumées.
Dans les centrales électriques au charbon, les principales alternatives à l’installation a posteriori d’absorbeurs à base d’amines dans les centrales existantes sont deux nouvelles technologies : la gazéification du charbon à cycle combiné et l’oxycombustion. La gazéification produit d’abord un « gaz de synthèse » composé principalement d’hydrogène et de monoxyde de carbone, qui est brûlé, le dioxyde de carbone étant filtré des gaz de combustion. L’oxycombustion brûle le charbon dans l’oxygène au lieu de l’air, ne produisant que du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau, qui sont relativement faciles à séparer. Une partie des produits de combustion doit être renvoyée dans la chambre de combustion, soit avant, soit après la séparation, sinon les températures seraient trop élevées pour la turbine.
Une autre option à long terme consiste à capturer le carbone directement dans l’air en utilisant des hydroxydes. L’air serait littéralement épuré de son contenu en CO2. Cette idée offre une alternative aux carburants sans carbone pour le secteur des transports.
Des exemples de séquestration du carbone dans les usines de charbon incluent la conversion du carbone des cheminées en bicarbonate de soude, et la capture du carbone à base d’algues, contournant le stockage en convertissant les algues en carburant ou en nourriture.
OcéansEdit
Une autre forme proposée de séquestration du carbone dans l’océan est l’injection directe. Dans cette méthode, le dioxyde de carbone est pompé directement dans l’eau en profondeur, et devrait former des « lacs » de CO2 liquide au fond. Les expériences menées dans des eaux modérées à profondes (350-3 600 mètres) indiquent que le CO2 liquide réagit pour former des hydrates de clathrate de CO2 solides, qui se dissolvent progressivement dans les eaux environnantes.
Cette méthode a, elle aussi, des conséquences environnementales potentiellement dangereuses. Le dioxyde de carbone réagit effectivement avec l’eau pour former de l’acide carbonique, H2CO3 ; cependant, la majeure partie (jusqu’à 99 %) reste sous forme de CO2 moléculaire dissous. L’équilibre serait sans doute très différent dans les conditions de haute pression qui règnent dans les profondeurs de l’océan. En outre, si les bactéries méthanogènes des grands fonds, qui réduisent le dioxyde de carbone, rencontraient les puits de dioxyde de carbone, les niveaux de méthane pourraient augmenter, entraînant la production d’un gaz à effet de serre encore plus nocif. Les effets environnementaux qui en résultent sur les formes de vie benthiques des zones bathypélagiques, abyssopélagiques et hadopélagiques sont inconnus. Même si la vie semble plutôt éparse dans les bassins océaniques profonds, les effets énergétiques et chimiques dans ces bassins profonds pourraient avoir des implications de grande portée. Il faut encore beaucoup de travail ici pour définir l’étendue des problèmes potentiels.
Le stockage du carbone dans ou sous les océans pourrait ne pas être compatible avec la Convention sur la prévention de la pollution des mers résultant de l’immersion de déchets et autres matières.
Une autre méthode de séquestration à long terme dans les océans consiste à rassembler les résidus de culture, comme les tiges de maïs ou les excédents de foin, en de grosses balles de biomasse lestées et à les déposer dans les zones de cônes alluviaux du bassin océanique profond. En déposant ces résidus dans les cônes alluviaux, ils seraient rapidement enfouis dans la vase du fond marin, séquestrant ainsi la biomasse pendant de très longues périodes. Les cônes alluviaux existent dans tous les océans et mers du monde, là où les deltas des fleuves se détachent du bord du plateau continental, comme le cône alluvial du Mississippi dans le golfe du Mexique et le cône alluvial du Nil dans la mer Méditerranée. Un inconvénient, cependant, serait une augmentation de la croissance des bactéries aérobies en raison de l’introduction de la biomasse, entraînant une plus grande concurrence pour les ressources en oxygène dans les eaux profondes, similaire à la zone de minimum d’oxygène.
Séquestration géologiqueEdit
La méthode de géo-séquestration ou de stockage géologique consiste à injecter du dioxyde de carbone directement dans des formations géologiques souterraines. Des champs pétrolifères en déclin, des aquifères salins et des filons de charbon inexploitables ont été proposés comme sites de stockage. Les cavernes et les anciennes mines qui sont couramment utilisées pour stocker le gaz naturel ne sont pas envisagées, en raison du manque de sécurité du stockage.
Le CO2 est injecté dans les champs pétroliers en déclin depuis plus de 40 ans, pour augmenter la récupération du pétrole. Cette option est intéressante car les coûts de stockage sont compensés par la vente du pétrole supplémentaire récupéré. En général, il est possible de récupérer 10 à 15 % de plus que le pétrole initial en place. D’autres avantages sont l’infrastructure existante et les informations géophysiques et géologiques sur le champ pétrolifère qui sont disponibles grâce à l’exploration pétrolière. Un autre avantage de l’injection de CO2 dans les champs pétrolifères est que le CO2 est soluble dans le pétrole. La dissolution du CO2 dans le pétrole diminue la viscosité du pétrole et réduit sa tension interfaciale, ce qui augmente la mobilité du pétrole. Tous les champs pétrolifères comportent une barrière géologique qui empêche la migration du pétrole vers le haut. Comme la plupart du pétrole et du gaz sont en place depuis des millions ou des dizaines de millions d’années, les réservoirs de pétrole et de gaz épuisés peuvent contenir du dioxyde de carbone pendant des millénaires. Les problèmes potentiels identifiés sont les nombreuses possibilités de « fuites » offertes par les vieux puits de pétrole, la nécessité de pressions d’injection élevées et l’acidification qui peut endommager la barrière géologique. Les autres inconvénients des anciens gisements de pétrole sont leur répartition géographique limitée et les profondeurs, qui nécessitent des pressions d’injection élevées pour la séquestration. En dessous d’une profondeur d’environ 1000 m, le dioxyde de carbone est injecté sous forme de fluide supercritique, un matériau ayant la densité d’un liquide, mais la viscosité et la diffusivité d’un gaz.Les filons de charbon inexploitables peuvent être utilisés pour stocker le CO2, car le CO2 s’absorbe à la surface du charbon, ce qui garantit un stockage sûr à long terme. Au cours de ce processus, il libère du méthane qui était auparavant adsorbé à la surface du charbon et qui peut être récupéré. Là encore, la vente de ce méthane peut être utilisée pour compenser le coût du stockage du CO2. La libération ou la combustion du méthane annulerait bien sûr au moins partiellement le résultat de la séquestration obtenue – sauf si l’on laisse le gaz s’échapper dans l’atmosphère en quantités importantes : le méthane a un potentiel de réchauffement planétaire plus élevé que le CO2.
Les aquifères salins contiennent des saumures fortement minéralisées et ont jusqu’à présent été considérés comme sans intérêt pour l’homme, sauf dans quelques cas où ils ont été utilisés pour le stockage de déchets chimiques. Leurs avantages comprennent un grand volume de stockage potentiel et une présence relativement courante réduisant la distance sur laquelle le CO2 doit être transporté. Le principal inconvénient des aquifères salins est que l’on en sait relativement peu sur eux par rapport aux champs pétrolifères. Un autre inconvénient des aquifères salins est que plus la salinité de l’eau augmente, moins le CO2 peut être dissous dans une solution aqueuse. Pour que le coût du stockage reste acceptable, l’exploration géophysique peut être limitée, ce qui entraîne une plus grande incertitude sur la structure d’un aquifère donné. Contrairement au stockage dans les champs de pétrole ou les gisements de charbon, aucun produit secondaire ne viendra compenser le coût du stockage. Les fuites de CO2 dans l’atmosphère peuvent être un problème dans le stockage dans les aquifères salins. Cependant, les recherches actuelles montrent que plusieurs mécanismes de piégeage immobilisent le CO2 sous terre, réduisant ainsi le risque de fuite.
Un important projet de recherche examinant la séquestration géologique du dioxyde de carbone est actuellement réalisé sur un champ pétrolier à Weyburn, dans le sud-est de la Saskatchewan. Dans la mer du Nord, la plateforme de gaz naturel d’Equinor en Norvège, Sleipner, extrait le dioxyde de carbone du gaz naturel à l’aide de solvants aminés et élimine ce dioxyde de carbone par séquestration géologique. Sleipner réduit les émissions de dioxyde de carbone d’environ un million de tonnes par an. Le coût de la séquestration géologique est mineur par rapport aux coûts de fonctionnement globaux. En avril 2005, BP envisage un essai de séquestration à grande échelle du dioxyde de carbone dépouillé des émissions des centrales électriques dans le champ pétrolifère de Miller, au fur et à mesure de l’épuisement de ses réserves.
En octobre 2007, le Bureau de géologie économique de l’Université du Texas à Austin a reçu un contrat de sous-traitance de 38 millions de dollars sur 10 ans pour mener le premier projet à long terme, sous surveillance intensive, aux États-Unis, étudiant la faisabilité de l’injection d’un grand volume de CO2 pour un stockage souterrain. Le projet est un programme de recherche du Southeast Regional Carbon Sequestration Partnership (SECARB), financé par le National Energy Technology Laboratory du ministère américain de l’énergie (DOE). Le partenariat SECARB démontrera le taux d’injection de CO2 et la capacité de stockage dans le système géologique de Tuscaloosa-Woodbine qui s’étend du Texas à la Floride. À partir de l’automne 2007, le projet injectera du CO2 à raison d’un million de tonnes par an, pendant une durée maximale de 1,5 an, dans une saumure située jusqu’à 3 000 m sous la surface du sol, près du champ pétrolifère de Cranfield, à environ 24 km à l’est de Natchez, dans le Mississippi. Des équipements expérimentaux mesureront la capacité du sous-sol à accepter et à retenir le CO2.
Séquestration minéraleEdit
La séquestration minérale vise à piéger le carbone sous forme de sels carbonatés solides. Ce processus se produit lentement dans la nature et est responsable du dépôt et de l’accumulation de calcaire au cours des temps géologiques. L’acide carbonique présent dans les eaux souterraines réagit lentement avec les silicates complexes pour dissoudre le calcium, le magnésium, les alcalis et la silice et laisser un résidu de minéraux argileux. Le calcium et le magnésium dissous réagissent avec le bicarbonate pour précipiter les carbonates de calcium et de magnésium, un processus que les organismes utilisent pour fabriquer des coquilles. Lorsque les organismes meurent, leurs coquilles sont déposées sous forme de sédiments et finissent par se transformer en calcaire. Les calcaires se sont accumulés sur des milliards d’années de temps géologique et contiennent une grande partie du carbone de la Terre. Les recherches en cours visent à accélérer des réactions similaires impliquant des carbonates alcalins.
Plusieurs gisements de serpentinite sont étudiés en tant que puits de stockage de CO2 potentiellement à grande échelle, comme ceux trouvés en NSW, en Australie, où le premier projet d’usine pilote de carbonatation minérale est en cours. La réutilisation bénéfique du carbonate de magnésium issu de ce processus pourrait fournir une matière première pour de nouveaux produits développés pour l’environnement bâti et l’agriculture sans renvoyer le carbone dans l’atmosphère et ainsi agir comme un puits de carbone.
Une des réactions proposées est celle de la dunite, une roche riche en olivine, ou de son équivalent hydraté, la serpentinite, avec le dioxyde de carbone pour former le minéral carbonaté magnésite, plus de la silice et de l’oxyde de fer (magnétite).
La séquestration de la serpentinite est favorisée en raison de la nature non toxique et stable du carbonate de magnésium. Les réactions idéales font intervenir les composants terminaux de magnésium de l’olivine (réaction 1) ou de la serpentine (réaction 2), cette dernière dérivant de l’olivine antérieure par hydratation et silicification (réaction 3). La présence de fer dans l’olivine ou la serpentine réduit l’efficacité de la séquestration, car les composants en fer de ces minéraux se décomposent en oxyde de fer et en silice (réaction 4).
Réactions de la serpentiniteEdit
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(Réaction 3) |
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(Réaction 4) |
Cadres d’imidazolate zéolitiqueModifier
Les cadres d’imidazolate zéolitiques sont un puits de dioxyde de carbone à base de cadres métallo-organiques qui pourrait être utilisé pour maintenir les émissions industrielles de dioxyde de carbone hors de l’atmosphère.