Peut-on réduire l’impact du CO2 sur l’environnement, et même s’en servir ?

Le dioxyde de carbone (CO2) est un gaz naturel présent dans l’atmosphère. On lui impute un grand rôle dans le processus de réchauffement climatique, qui préoccupe les Etats et leurs habitants. En effet le CO2 est un gaz à effet de serre : il permet de retenir efficacement la chaleur du soleil sur Terre. Une concentration trop faible en CO2 dans l’air serait catastrophique pour les êtres vivants, qui ont besoin d’un minimum de chaleur pour survivre. A l’inverse, un surplus de CO2 conduit à l’augmentation de la température à la surface de la Terre et modifie peu à peu les conditions qui permettent l’existence de la vie.

Une des solutions novatrices des politiques de transition énergétique consiste en la capture du CO2 émis par les activités humaines (dites « anthropiques »). Le gaz ainsi récupéré peut ensuite être stocké de manière à empêcher son relâchement dans l’atmosphère, ou valorisé pour servir à la production humaine. On peut donc se servir du CO2, habituellement considéré comme un déchet, à la place des matières premières classiquement utilisées. On parle couramment de CSCV, pour : « Captage, Stockage géologique et Valorisation du CO2 » ; ou en anglais CCUS, pour « Carbon Capture, Utilization and Storage ».

 

Captage du CO2 en milieu industriel polluant

Environ 70% des émissions « anthropiques » mondiales de CO2 sont causées par l’utilisation de combustibles fossiles dans un cadre de production industrielle ou de production d’énergie. Il est donc intéressant pour atteindre l’objectif d’endiguement du réchauffement climatique, de procéder à l’installation de systèmes de captage des fumées dues par exemple aux centrales électriques qui fonctionnent au charbon, ou encore aux usines sidérurgiques ou pétrochimiques. Les installations industrielles visées doivent être très polluantes, pour que la quantité de CO2 captable vienne justifier le coût de création d’un système de captage, de transport et de stockage ou de valorisation.

Il existe différents processus de captage :

  • Postcombustion: Les fumées dues à la combustion de ressources fossiles sont captées. Elles contiennent entre 3 et 15% de CO2, le reste étant de la vapeur d’eau et de l’azote. La vapeur d’eau est facile à séparer du CO2 : il suffit de chauffer le gaz et de le compresser. L’azote est cependant coûteux à séparer du CO2, car cela nécessite l’usage d’un solvant.

 

  • Précombustion: Avant d’être utilisés, les combustibles fossiles sont chauffés dans un réacteur avec de la vapeur et de l’air pour obtenir du monoxyde de carbone et de l’hydrogène. Dans un deuxième réacteur, le monoxyde de carbone brûle au contact de l’oxygène et devient du CO2. Le volume de CO2 ainsi recueilli est nettement supérieur.

 

  • Oxycombustion : Le captage est effectué après la combustion, mais cette dernière n’est pas réalisée avec de l’air, seulement de l’oxygène. Ainsi, la présence d’azote est minimisée et les fumées émises ne contiennent presque que de la vapeur d’eau et du CO2. Par comparaison avec la technique postcombustion, il est donc bien moins difficile d’obtenir un gaz suffisamment pur en CO2.

 

Transport du CO2 capté

Le gaz obtenu grâce au captage est acheminé jusqu’à un point de stockage ou de valorisation à travers des canalisations sous forme supercritique, c’est-à-dire intermédiaire entre la forme gazeuse et la forme liquide. Il peut aussi être transporté par véhicules terrestres ou marins sous forme liquide, contenu dans des cuves.

 

Stockage du CO2

On parle de stockage géologique, car le CO2 est injecté dans les sous-sols de la Terre. Les sous-sols éligibles pour cette opération sont premièrement les gisements d’hydrocarbures matures prêts à être récupérés. Le gaz peut être stocké à la place de ces hydrocarbures. En étant injecté, le CO2 chasse les hydrocarbures qui remontent à la surface pour être utilisés comme matière combustible. Les gisements épuisés d’hydrocarbures sont aussi utilisés pour le stockage. C’est également le cas des aquifères salins, qui contiennent de l’eau salée impropre à la consommation. Ils existent en très grand nombre sous la surface de la Terre, mais beaucoup sont encore mal connus car il n’y avait jusqu’ici pas d’intérêt à les exploiter. Enfin, le CO2 peut être placé dans les veines de charbon profondes inexploitées.

Il existe encore peu des mises en œuvre du processus de stockage. En 2019, 19 opérations de captage et de stockage était fonctionnelles, permettant un stockage total mondial de l’ordre de 20 000 tonnes de CO2 par an, selon le rapport du Bureau de Recherches Géologiques et Minières (cité plus haut dans l’article). Pour se rendre compte des progrès qu’il reste à faire, le rapport indique qu’atteindre la neutralité carbone en 2050 implique de stocker plus de 5 milliards de tonnes de CO2 par an. L’impact du stockage est donc très insuffisant à l’heure actuelle, au regard des exigences portées par les politiques de transition énergétique. Ce nombre réduit de réalisations s’explique notamment par le coût relativement élevé de l’investissement initial nécessaire, comme celui d’entretien des installations. On peut aussi pointer du doigt un coût du « quota européen », somme d’argent dont les entreprises doivent s’acquitter pour bénéficier du droit de polluer plus que ce que les normes de l’Union Européenne les y autorisent, qui peut être inférieur aux coûts qu’impliquent les opérations de captage, de transport et de stockage. Enfin, les opérations de CSCV sont complexes sur le plan technique si l’on souhaite les réaliser sans risques pour l’environnement où la santé publique.

 

Risques inhérents au transport et au stockage

Le transport du gaz sous forme supercritique présente tout d’abord un risque de fuite du flux de gaz hors des canalisations. Il faut donc mettre en place une routine de surveillance et d’entretien du système, ce qui implique un investissement économique constant.

De plus, les opérations de stockage ne sont pas sans risques et nécessitent un travail important de recherche en amont, ainsi que de surveillance constante :

  • Le CO2 peut conduire à une acidification des sols si sa concentration est trop importante au regard de la basicité des sous-sols où il est stocké. Cette acidification serait alors responsable d’une perte de fertilité des terres cultivables à la surface de la Terre.

 

  • Des remontées gazeuses peuvent contaminer les nappes phréatiques exploitées pour obtenir de l’eau potable et se trouvant au-dessus du milieu de stockage. Une grande quantité de CO2 mêlée à de l’H2O génère notamment du CO32-, c’est-à-dire des ions carbonates, qui acidifient l’eau. Ces remontées peuvent se produire en cas de fuites souterraines qui n’auraient pas été repérées lors du travail préalable d’étude du milieu de stockage, ou bien qui se seraient créées à cause de la pression exercée par le gaz ou en raison de mouvements des sols. Les nappes phréatiques sont régulièrement présentes au-dessus des aquifères salins qui sont, dans la plupart des cas, situés profondément sous la surface.

 

  • La présence de substances annexes au CO2 dans le gaz stocké est potentiellement toxique pour la population et l’environnement. Il faut donc vérifier la pureté du gaz en CO2 avant de l’injecter dans les sous-sols, ce qui implique de le traiter parfois plusieurs fois dans des réacteurs différents.

 

  • Sans un calcul global de l’impact environnemental du captage, du transport et du stockage, on pourrait ne pas remarquer que le volume de CO2 total relâché dans l’atmosphère par l’accomplissement de ces opérations est en fait supérieur au volume capturé.

 

  • La quantité de CO2 qui est relâchée progressivement par le milieu de stockage doit être suffisamment peu importante pour qu’elle soit absorbée par les sols, les eaux et les plantes sans altérer leur état.

Pour s’assurer que les entreprises prennent des précautions suffisantes, la directive européenne 2009/31/CE du 23 avril 2009, transposée en droit français par le décret 2011-1411 du 31 octobre 2011, prévoit une obligation de prouver l’existence de garanties de sécurité satisfaisantes contenues dans le projet. L’obtention d’une autorisation spécifique est subordonnée à ce processus de démonstration scientifique.

 

Valorisation du CO2 en tant que matière première

Le CO2 peut être utilisé dans le cadre d’une grande variété d’activités de production déjà existantes :

  • La valorisation est possible sans transformation, lorsque les propriétés naturelles du CO2 sont profitables. On peut tout d’abord extraire plus de pétrole, de gaz naturel et de méthane en les chassant vers la surface, grâce à la pression exercée par le CO2 lorsqu’il est injecté dans les gisements de ces ressources fossiles. Le CO2 est aussi un élément de nombreuses méthodes de production : il sert notamment à la création des bulles des boissons gazéifiées, mais aussi de la neige carbonique des extincteurs, ou encore de liquides réfrigérants.

 

  • Le CO2 peut être mélangé avec d’autres éléments pour obtenir une réaction chimique désirée : on parle alors de valorisation chimique. Il est utilisé par exemple comme matière première pour produire des biocarburants, des plastiques et produits chimiques comme le lubrifiant.

 

  • Enfin, le besoin des plantes en CO2 pour croître par photosynthèse permet une valorisation biologique de ce gaz. Le CO2 peut aussi être utilisé pour créer de l’engrais.

La valorisation du CO2 implique néanmoins l’existence de marchés commerciaux, qui aujourd’hui présentent certaines limites. Il s’agit bien souvent de marchés de niche permettant de vendre certes à forte valeur, mais en petite quantité.

 

Valorisation du CO2 en tant que stockage d’énergie

Le CO2 peut être la principale ressource nécessaire pour produire de l’électricité. On parle alors d’un processus « Gaz to power » : Le CO2 est converti en acide formique, ce dernier servant de carburant aux piles à combustible qui produisent de l’électricité. Selon une étude de l’Université de Rice (dont les références sont à la fin de l’article), l’acide formique peut fournir plus de 1000 fois l’énergie contenue dans l’hydrogène pour un même volume, l’hydrogène étant la ressource classique servant à alimenter les piles à combustible.

On peut donc, en stockant le CO2, créer des réserves d’électricité « potentielle ». Elles peuvent être mobilisées lorsque la production est insuffisante, pour satisfaire les besoins lors des pics de consommation en journée ; et être réapprovisionnées la nuit, lorsque peu d’électricité est consommée. Elles peuvent aussi permettre de compenser les baisses de capacité de production régulières des installations exploitant des énergies renouvelables intermittentes car dépendantes des conditions météorologiques, comme les énergies éoliennes et solaires. L’intérêt de posséder de telles réserves est également d’attendre que les prix augmentent sur le marché pour vendre l’électricité. Malgré tout, si le marché de l’électricité permet certes de vendre des quantités importantes d’électricité, la valeur marchande de cette dernière reste souvent faible, ce qui limite la rentabilité de l’opération.

 

Sources

 

 

 

 

 

A propos de Victor BOUILLARD

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