Capter le carbone et le valoriser

En août 2023, le président des États-Unis Joe Biden a ouvert une enveloppe de 1,2 milliard de dollars (1,1 Md€) de subventions pour deux usines de capture directe du carbone dans l’air, l’une en Louisiane, l’autre au Texas, sous la houlette de la firme pétrolière Occidental Petroleum. Directement puisé dans l’atmosphère, le carbone sera transformé et enfoui dans des roches profondes. Un virage stratégique justifié ainsi par Jennifer Granholm, Secrétaire américaine à l’Énergie : « La réduction de nos émissions de carbone ne suffira pas, à elle seule, à inverser les impacts croissants du changement climatique. Nous devons également éliminer le CO₂ que nous avons déjà émis dans l’atmosphère. »

Dans ce contexte, on assiste à une véritable effervescence de projets d’innovation, notamment dans le secteur de la construction qui se mobilise, conscient de l’importance des enjeux et de sa responsabilité. Il est donc à l’origine de nombreux projets, caractérisés par une coopération forte entre différents acteurs : recherche, industries, startups et constructeurs. Ceux-ci ont recours à des technologies de captage, stockage et valorisation du CO₂ (CCUS, pour Carbon Capture, Use and Storage) provenant des émanations industrielles, directement à la source avant qu’il ne soit rejeté dans les airs. Ces technologies incluent le captage et le stockage de CO₂ (CCS, pour Carbon Capture and Storage) sans valorisation en produits issus du traitement des fumées ou le captage directement dans l’atmosphère (DAC, pour Direct Air Capture), loin des sites industriels. Dans ces derniers cas, le CO₂ est alors « enfoui », sous terre ou en mer, comme les déchets dans une décharge. Si elles intéressent les industriels, en permettant de réduire leurs émissions de CO₂, ces techniques doivent encore faire la preuve de leur développement à un coût acceptable (voir encadré).

Capter et stocker

Les technologies de captage et stockage du carbone (CCS) visent à récupérer le carbone afin de le stocker à long terme dans des puits de gaz, des sols (selon leur nature et leur épaisseur : forestier, agricole, dégradé, artificialisé, etc.) ou des aquifères salins¹ où il se minéralise au fil du temps. Si cette solution permet un entreposage du carbone durant des millions d’années, sa faisabilité nécessite cependant de réunir certaines conditions. À commencer par la disponibilité d’installations de captage et d’infrastructures de transport (pipelines) de très grande envergure, ainsi que celle de technologies moins énergivores² et à des coûts réduits à mesure que les procédés se généralisent, sachant que plus la zone de stockage est proche du lieu de captage, plus on évite les coûts de transport. L’estimation du montant total de la captation et du stockage de CO₂ oscille entre 70 et 250 € la tonne, selon la géologie des sites utilisés. En déployant cette méthode dans les zones où le sol comporte une forte proportion de minéraux métalliques, on pourrait faire passer à 120 € le coût à la tonne de CO₂. Sur des secteurs composés de minéraux non métalliques, son développement plus important permettrait de multiplier par 5 le nombre d’installations et d’atteindre 90 € par tonne de CO₂.

Pour sa part, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (Giec) comme l’Agence internationale de l’énergie (AIE) estiment que le captage et le stockage du CO₂ constituent des stratégies pertinentes pour limiter le réchauffement climatique, même si l’objectif fixé (capter 7,6 GtCO₂/an d’ici à 2050) semble pour le moment difficile à atteindre. En France, le Haut Conseil pour le climat (HCC), dans un avis publié le 30 novembre 2023 sur la stratégie nationale de capture, stockage et utilisation du carbone (CCUS), estime que le rôle des technologies actuelles sera nécessairement « restreint » dans la mesure où l’objectif de 4 à 8 MtCO₂/an ne semble pas réaliste. Par contre, la réduction des émissions industrielles via les CCS de 2 à 4 MtCO₂/an à l’horizon 2030 est envisageable. De même que d’atteindre 15 à 20 MtCO₂/an d’ici à 2050 est « en cohérence avec les connaissances disponibles ». À cet égard, le HCC insiste sur la nécessité d’investir en priorité sur la R&D « afin de lever les incertitudes sur les capacités de stockage géologique en France, le potentiel technologique, l’impact sur les ressources en eau, la disponibilité de la biomasse pour le BECCS (bioénergie avec CCS) et le dimensionnement du système électrique pour tenir compte des besoins en énergie CCS ».

Valoriser le CO₂

Les technologies de captage et d’utilisation du carbone (CCU) visent à extraire le CO₂ pour le transformer en une gamme de produits. Sur son site de Montalieu-Vercieu (Isère), la cimenterie Vicat a ainsi mis au point, en partenariat avec Hynamics (filiale d’EDF), une solution de CCU en vue de capter 40 % du CO₂ émis par la production de sa cimenterie, puis de le combiner à de l’hydrogène produit de manière décarbonée pour aboutir à du méthanol décarboné.
À l’heure actuelle, les acteurs les plus impliqués dans les solutions de captage, stockage et valorisation du CO₂ (CCUS) sont les cimentiers, dont les émissions de CO₂ proviennent à 70 % des roches utilisées. Une proportion qui devrait être ramenée à 40 % d’ici 2050 grâce au captage sur site du carbone.

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Si capter le carbone sans le valoriser a un coût encore très élevé et comporte quelques risques liés notamment aux aléas sismiques ou à la dilution du CO₂ dans l’eau de mer, le valoriser en le fixant dans le béton pour en augmenter la résistance présente a contrario un avantage décisif. Il réduit très fortement – en les captant à la source – les émissions des installations industrielles dans des secteurs comme la sidérurgie, la cimenterie, la production d’énergie et la pétrochimie – principaux responsables des rejets de CO₂.
La société canadienne CarbonCure, par exemple, s’est associée à 150 usines de production de béton dans le monde – dont le français Lafarge, le suédois Thomas Concrete ou l’américain Ozinga – pour capter le carbone et le réinjecter dans un béton de nouvelle génération, plus résistant et déjà utilisé dans la construction d’entrepôts, d’établissements de santé ou de bureaux.

Capter le carbone de l’atmosphère pour le réinjecter dans du béton de démolition permet à l’entreprise Neustark de stocker du CO₂ de manière systématique.

Dans le même esprit, CarbiCrete, une autre startup canadienne, a mis au point des parpaings « stockeurs » de carbone. Les scories des aciéries locales sont réutilisées comme liant à la place du ciment par des fabricants de béton. En Suisse, Neustark a élaboré une technique de minéralisation du carbone dans des granulats de béton recyclé. L’entreprise expérimente dans ses laboratoires de Zurich un procédé qui permet de multiplier l’absorption de CO₂ par mètre cube de béton. Chaque mètre cube ayant un coût carbone de 200 kg de CO₂, son objectif est d’arriver à capter un volume équivalent (200 kg) dans un mètre cube de béton. Une solution susceptible d’être commercialisée dès 2025.

Du carbone sous toutes les formes

Le béton n’est pas la seule et unique solution de recyclage du carbone. Il peut être converti en carbonate de calcium pour la fabrication de revêtements papier, d’aliments, de dentifrice, etc. L’approche qui consiste à voir dans le carbone une ressource à valoriser semble donc, à ce jour, la plus encourageante, et elle n’est pas totalement nouvelle… « Dans les faits, l’industrie incorpore déjà du CO₂ dans la fabrication de l’urée, un engrais très utilisé qui peut également servir de précurseur pour de nombreux plastiques, de l’acide salicylique, qui entre dans la composition de l’aspirine et de certains produits anti-acné, ou encore des polycarbonates, ces polymères qu’on retrouve dans les CD, DVD ou les verres de lunettes. Il s’agit d’aller plus loin dans ces usages et d’en inventer de nouveaux », explique Marc Robert, chercheur au Laboratoire d’électrochimie moléculaire³.
Parmi ces innovations, les microalgues représentent une alternative prometteuse pour non seulement capter du CO₂ par photosynthèse (1m³ de microalgues, à la manière du phytoplancton dans la mer, posséderait la même capacité de photosynthèse que 80 à 100 arbres), mais aussi produire de l’énergie (biomasse), de l’oxygène, du sucre, des protéines et des oligoéléments, donc du complément alimentaire. Les résidus de microalgues pourraient avoir une autre application en constituant du bio-bitume pour les Travaux Publics.

Le captage et la valorisation du CO₂ présentent des perspectives prometteuses. Pour autant, les coûts d’investissement et de fonctionnement restent encore très élevés et, sur le plan environnemental, la plupart des technologies de captage mobilisées demeurent énergivores et gourmandes en matériaux. Un passage à une plus grande échelle nécessitera de lever ces freins.

1. Formation géologique constituée de roches sédimentaires poreuses renfermant une eau salée.
2. La conversion de 25 % de CO2 consomme à l’heure actuelle autant d’hydrogène que l’alimentation d’un four de cimenterie.
3. https://lejournal.cnrs.fr/articles/le-co2-une-ressource-a-exploiter#footnote1_yfdnhie

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