Ceci est la troisième partie d’une série de quatre parties sur la capture et l’utilisation du carbone (CCU), l’industrie en pleine croissance dédiée à l’utilisation du dioxyde de carbone capturé dans l’atmosphère pour lutter contre le changement climatique. La première partie présente le CCU et ses formes de base, et la deuxième partie porte sur la récupération assistée du pétrole, la plus grande utilisation actuelle du CO2. Le quatrième post examine comment les décideurs politiques devraient aborder les technologies CCU.

Il est bien compris à ce stade que le dioxyde de carbone est un polluant mortel qui réchauffe l’atmosphère. Ce qui est moins bien compris, c’est que le CO2 est également une matière première utile, un intrant dans une variété de processus industriels. Du plastique au béton, le CO2 est un élément de base de l’industrie – un produit de valeur.

Pour de nombreux défenseurs du climat, cela suggère que nous devrions peut-être en utiliser davantage. Peut-être, si les industries qui utilisent le CO2 pouvaient être incitées à augmenter leur utilisation, nous pourrions en utiliser suffisamment pour réduire considérablement la quantité que nous émettons dans l’atmosphère.

Utiliser plus ; émettre moins. C’est l’idée de base derrière la capture et l’utilisation du carbone (CCU), l’un des sujets les plus chauds en matière d’énergie propre ces jours-ci.

Dans mon premier billet de cette série, j’ai présenté le concept de CCU et ses formes de base. Dans le second, j’ai examiné de près ce qui est actuellement l’utilisation industrielle la plus courante du CO2, à savoir la récupération assistée du pétrole (EOR), par laquelle le CO2 est injecté dans des puits épuisés pour extraire davantage de pétrole et de gaz. (C’est compliqué.)

Dans ce billet, nous allons examiner les autres utilisations industrielles du CO2 pour essayer de nous faire une idée de leur viabilité, de leur potentiel total et de la possibilité qu’elles jouent un rôle important dans la lutte contre le changement climatique. On va s’amuser !

Une remarque importante : pour les besoins de ce billet, je m’intéresse aux procédés industriels. Ils consistent à extraire le CO2 de l’air – soit des gaz de combustion des installations industrielles, par la capture traditionnelle du carbone, soit de l’air ambiant, par la capture directe de l’air (CDA) – à le concentrer et à l’utiliser comme matière première industrielle.

Il existe également un certain nombre de moyens naturels de capter plus de CO2, qu’il s’agisse de planter plus de forêts ou de séquestrer plus de carbone dans le sol. Elles sont intéressantes et d’une ampleur potentiellement importante, mais elles méritent leur propre post. Ce billet traite des machines.

Génie du carbone

Trois façons importantes d’évaluer les technologies CCU

Avant d’aborder les différentes formes de CCU, gardons à l’esprit trois questions importantes que nous devons nous poser à propos de toutes ces technologies au fur et à mesure que nous en prenons la mesure.

Ces questions sont tirées d’une revue géante de la littérature sur le CCU, récemment publiée dans la revue Nature, qui a évalué plus de 11 000 articles et a été accompagnée d’une enquête d’opinion d’experts. Elle permet de mettre en évidence les principaux paramètres impliqués dans l’évaluation de ces technologies.

La première question est la suivante : la technologie CCU produit-elle un avantage climatique ? Réduit-elle les émissions de carbone, et si oui, de combien ? Séquestre-t-elle le carbone, et si oui, pendant combien de temps ?

Il y a ici quelques concepts qui se chevauchent et qui sont souvent confondus dans le dialogue populaire, il est donc utile de les distinguer. Voici comment le document de Nature le fait:

• CO2u : utilisation du CO2
• CO2ρ : réduction des émissions de CO2 par rapport à la ligne de base
• CO2r : élimination du CO2 de l’atmosphère
• CO2s : stockage du CO2

Royal Society

Les différentes technologies CCU impliquent différents mélanges de ceux-ci. La détermination de l’impact net sur le carbone d’une technologie CCU implique une analyse du cycle de vie (ACV) qui tient compte de la provenance du CO2, de la quantité d’énergie utilisée pour la production, de la provenance de l’énergie, de la quantité de CO2 libérée pendant la production, du captage éventuel du CO2 libéré, de la façon dont le produit est finalement éliminé et de ce qui se serait passé en l’absence de production. (L’ACV est diablement compliquée et il n’existe actuellement aucune norme largement partagée régissant la façon de procéder.)

Certaines utilisations du CO2 – par exemple, la fabrication de carburants liquides qui se substituent à l’essence et au diesel – n’emprisonnent le carbone que jusqu’à ce que le carburant soit brûlé, moment où il est à nouveau libéré dans l’atmosphère. Ces procédés n’éliminent pas le CO2 de l’atmosphère, mais le recyclent une fois, puis le remettent dans l’atmosphère ; l’article de Nature les appelle des procédés “cycliques”. Mais en substituant un processus neutre en carbone à un processus à forte intensité de carbone, ils réduisent les émissions nettes (CO2ρ) par rapport à ce qui se serait passé autrement.

D’autres utilisations du CO2 – par exemple, dans le cadre du processus de production du ciment – enferment le carbone pendant beaucoup plus longtemps. Le béton n’empêchera pas le CO2 d’entrer dans l’atmosphère de façon permanente, mais il pourrait plausiblement le stocker pendant un siècle ou plus, de sorte qu’à toutes fins utiles, il compte comme stockage de carbone (CO2s). L’article de Nature appelle ces processus “fermés”.

L’ACL est complexe, et les détails ont de l’importance, mais une conclusion générale de la littérature est que “le potentiel de réduction nette des émissions est beaucoup plus important que celui de l’élimination nette, qui semble très modeste.” Dans l’ensemble, la CCU ne produira probablement pas beaucoup de CO2, mais elle pourrait produire des CO2ρ considérables.

L’évaluation de l’avantage climatique des différentes options de CCU est primordiale. Les décideurs politiques doivent toujours garder à l’esprit que la CCU n’est pas un bien en soi. Elle ne vaut la peine d’être poursuivie que dans la mesure où elle fait une différence significative pour le climat.

La deuxième question est de savoir quelle est l’échelle potentielle de la technologie CCU. Si c’est un produit spécialisé ou à faible volume, il se peut que cela ne vaille pas la peine de faire l’effort de R&D pour comprendre comment le faire fonctionner commercialement avec le CO2 capturé. Il va de soi que les décideurs et les investisseurs devraient accorder leur attention et leurs ressources en priorité aux technologies présentant le plus grand potentiel total. (Nous examinerons un classement des technologies par potentiel dans un moment.)

Et la troisième question est de savoir à quel point la technologie CCU est avancée sur la courbe d’apprentissage. Est-ce une technologie spéculative qui existe surtout en laboratoire et dans quelques projets pilotes, comme les combustibles liquides synthétiques, ou est-ce une technologie établie avec un potentiel de croissance du marché à court terme, comme le CO2 dans le ciment ?

Toutes ces questions sont importantes pour évaluer le potentiel des technologies CCU à fournir des solutions climatiques pratiques.

Quelles sont donc ces technologies ? Jetons un coup d’œil à quelques-unes d’entre elles.

Nature

(Il y a beaucoup de façons différentes de les diviser ; ma liste est un peu un mash-up de l’article de Nature référencé ci-dessus et de cette feuille de route exhaustive de 2016 réalisée par Lux Research pour la Global CO2 Initiative.)

Matériaux de construction en béton

Il y a plusieurs technologies ici, toutes liées au béton, qui est un mélange de ciment, d’eau et de granulats. Le ciment est une poudre fine qui, lorsqu’elle est activée par l’eau, lie les agrégats en un mélange rigide.

Premièrement, les agrégats – qui sont incorporés dans le béton, l’asphalte et les remblais de construction – peuvent être fabriqués en convertissant le CO2 gazeux en carbonates minéraux solides comme le carbonate de calcium (CaCO3), un processus connu sous le nom de “minéralisation du CO2.” (Voir Planète bleue.)

Deuxièmement, le CO2 peut être substitué à l’eau dans le “durcissement” du béton pendant son mélange, ce qui entraîne une minéralisation similaire. Il s’avère que cela rend en fait le béton résultant plus résistant, en plus d’économiser beaucoup d’eau. (Voir, par exemple, Solidia et CarbonCure.)

Troisièmement, le ciment peut être éliminé progressivement au profit de nouveaux liants qui absorbent et minéralisent le CO2. (Voir CO2 Concrete.)

Quatrièmement, et la plus spéculative, est une technologie prometteuse poussée par le projet européen LEILAC (Low Emissions Intensity Lime & Cement). Le processus de production du ciment et de la chaux implique des réactions chimiques (et non la combustion de combustibles fossiles) qui dégagent inévitablement du CO2. LEILAC cherche à modifier le processus de manière à créer un flux de déchets de CO2 purifié qui peut facilement être capturé et soit séquestré, soit réutilisé.

Au moins en théorie, on peut imaginer des émissions de CO2 purifié provenant du processus de fabrication du ciment capturées puis réinjectées dans le processus lorsqu’un agent de liaison minéralisant le CO2 est mélangé à des agrégats à base de CO2. Si tous ces éléments pouvaient être réunis – et pour être clair, cela ne se fait pas encore dans le monde entier – les matériaux de construction qui en résulteraient pourraient prétendre à être réellement négatifs en carbone, sur la base de leur cycle de vie. Non seulement ils réduiraient les émissions nettes (CO2ρ), mais ils stockeraient de façon semi-permanente le carbone (CO2s).

Mais en deçà de cela, même si le ciment n’atteint que le CO2ρ, et non le CO2s, l’opportunité ici est grande et immédiate. Ces technologies (au moins les deux premières) sont établies et relativement peu énergivores ; elles pourraient potentiellement aboutir à une séquestration du carbone à l’échelle de milliards de tonnes.

Carburants liquides

Aujourd’hui, les carburants liquides – essence, diesel et variantes plus rares comme le carburéacteur – sont fabriqués en raffinant des hydrocarbures forés dans le sous-sol. Ils peuvent être fabriqués à la place avec le carbone de l’air.

Les “carburants synthétiques” peuvent être fabriqués de nombreuses façons différentes, par de nombreux processus et chimies différents, ce qui donne une variété de carburants. Il existe des carburants synthétiques qui peuvent remplacer n’importe quel carburant liquide.

La façon la plus simple d’y penser est de les considérer comme un mélange de trois choses : une molécule à base de carbone (généralement du CO2), de l’hydrogène et de l’énergie. L’énergie est utilisée pour arracher l’oxygène du carbone et coller le carbone sur l’hydrogène. D’où les “hydrocarbures”.

L’intensité en carbone des carburants résultants dépend de la source des trois composants : le CO2, l’électricité et l’hydrogène.

Si le CO2 provient de gisements souterrains, l’électricité provient de combustibles fossiles et l’hydrogène provient du reformage à la vapeur du gaz naturel (comme c’est le cas d’environ 95 % de l’hydrogène aujourd’hui), le carburant résultant est extrêmement intensif en carbone.

Si le CO2 provient de l’air ambiant, l’électricité provient des énergies renouvelables, et l’hydrogène provient de l’électrolyse solaire (qui tire l’hydrogène directement de l’eau), le carburant résultant est extrêmement faible en carbone.

Les carburants liquides neutres en carbone sont presque certainement le plus grand marché potentiel pour le CO2. Il y a beaucoup de carburants liquides dans le monde, et il existe des marchés existants pour des alternatives plus propres, y compris dans des États comme la Californie et l’Oregon avec une norme de carburant à faible teneur en carbone (LCFS).

HyTech Power

Réduire le coût de la capture du carbone aiderait avec les carburants synthétiques, mais ce sont les deux autres ingrédients, l’hydrogène et l’énergie, qui représentent une plus grande partie des coûts. Il faut beaucoup d’énergie pour électrolyser l’hydrogène et il en faut encore plus pour séparer le CO2. (Le CO2 est étroitement lié ; il ne veut pas se séparer.) Toute cette énergie coûte de l’argent.

L’énergie renouvelable extrêmement bon marché est la clé pour faire fonctionner les carburants synthétiques neutres en carbone, car elle est la clé de l’hydrogène bon marché, et la production de carburants synthétiques à l’échelle va nécessiter beaucoup d’hydrogène. Dans un rapport spécial sur les secteurs difficiles à décarboniser comme l’industrie et le transport aérien, la Commission sur les transitions énergétiques a souligné la nécessité des carburants synthétiques, et donc de l’hydrogène : ” Pour parvenir à une économie à émissions nettes de CO2 nulles, il faudra augmenter la production mondiale d’hydrogène de 60 par an aujourd’hui à quelque chose comme 425-650 Mt au milieu du siècle.”

Même si l’hydrogène ne joue pas un grand rôle direct dans les transports (ce ne sera probablement pas le cas), il sera toujours nécessaire pour les carburants synthétiques, eux-mêmes nécessaires pour décarboniser des secteurs difficiles à atteindre comme l’industrie. Pour que l’électrolyse de l'”hydrogène vert” soit possible, il faut que les énergies renouvelables deviennent vraiment bon marché.

Il y a beaucoup d’analystes qui pensent que l’énergie solaire à l’échelle d’un service public dans de bons endroits produira bientôt l’électricité la moins chère du monde, jusqu’à 20 ou même 10 dollars par mégawattheure. Et il y aura des périodes de surplus d’énergie solaire qu’il faudra absorber, une énergie qui aurait autrement été gaspillée.

“Bien que la production d’hydrocarbures plus complexes soit énergétiquement et donc économiquement coûteuse”, indique l’article de Nature, “des réductions de coûts rapides pourraient potentiellement se produire si l’énergie renouvelable – qui représente une grande partie du coût total – continue à devenir moins chère, et si la politique stimule d’autres réductions de coûts.”

Les carburants synthétiques n’existent effectivement pas aujourd’hui à une quelconque échelle de marché (“les flux actuels sont proches de zéro”, comme le dit l’article de Nature), mais si tout se met en place pour les soutenir, ils pourraient concevoir de s’emparer d’une part substantielle du marché mondial des carburants, ce qui n’est pas rien. Ce ne sont pas des CO2, mais c’est beaucoup de CO2ρ.

Pour être clair : l’avenir est à l’électrification. Lorsqu’il s’agit de décarbonisation, il est toujours préférable d’électrifier les utilisations finales de l’énergie – d’utiliser directement l’électricité, plutôt que d’en perdre une grande fraction à cause des conversions – mais même dans des scénarios optimistes, il y aura des secteurs difficiles à électrifier.

Les carburants liquides neutres en carbone pour les secteurs difficiles à décarboniser constituent à la fois un grand marché et une pièce essentielle du puzzle de la décarbonisation.

MIT

Chimiques et plastiques

En utilisant divers catalyseurs, le CO2 peut être transformé en une variété d’intermédiaires chimiques – des matériaux qui servent ensuite de matières premières dans d’autres processus industriels, comme le méthanol, le syngaz et l’acide formique.

Le CO2 peut également être transformé par des catalyseurs en polymères, les précurseurs des plastiques, des adhésifs et des produits pharmaceutiques. Pour l’instant, les polymères dérivés du CO2 sont assez chers, mais les plastiques constituent un autre marché potentiellement important – ils représentent une fraction croissante de la demande en combustibles fossiles liquides. Et ils ont une durée de vie de plusieurs décennies à plusieurs siècles, donc ils présentent un certain potentiel pour les CO2.

À l’heure actuelle, seules quelques applications chimiques du CO2 sont commercialisées à l’échelle, notamment la production d’urée et de polycarbonate polyols.

Algues

Le CO2 capturé peut être utilisé pour accélérer la croissance des algues, qui ont la capacité d’en absorber beaucoup plus, beaucoup plus rapidement, que toute autre source de biomasse. Et les algues ont une utilité unique. Elles peuvent servir de matière première pour les aliments, les biocarburants, les plastiques et même la fibre de carbone (voir n° 5). Il convient de noter qu’il y a environ cinq ans, les algues étaient considérées comme une sorte de plante miracle, mais le secteur n’a pas vraiment décollé et un grand nombre des premières entreprises ont fait faillite.

Matériaux nouveaux

C’est ici que nous trouvons des marchés plus spéculatifs, de pointe, mais potentiellement capitaux. Le CO2 peut être transformé en matériaux de haute performance – composites de carbone, fibre de carbone, graphène – qui pourraient éventuellement remplacer toute une série de matériaux, des métaux au béton.

Par exemple, l’équipe de C2CNT utilise l'”électrolyse fondue” pour transformer le CO2 directement en nanotubes de carbone, qui sont plus résistants que l’acier et hautement conducteurs. Ils sont déjà utilisés dans des applications haut de gamme comme le Boeing Dreamliner et certaines voitures de sport. Mais à mesure qu’ils deviennent moins chers, le marché ne connaît pratiquement aucun plafond.

Pour ne prendre qu’un exemple, pensez à substituer les nanotubes de carbone au cuivre dans les câbles électriques. (Merci à Adam Siegel d’avoir signalé cette idée.) Pratiquement toutes les applications de l’électricité, de la station spatiale aux véhicules électriques en passant par les appareils ménagers, bénéficieraient d’un câblage plus léger et plus conducteur.

Et puis il y a l’acier, le métal le plus utilisé dans le monde, responsable de 7 à 9 % des émissions mondiales de CO2 provenant des combustibles fossiles. Si les matériaux à base de carbone pouvaient remplacer l’acier à une échelle réelle, cela pourrait signifier des milliards de tonnes d’émissions en moins, sans parler de la séquestration permanente du carbone.

Bien sûr, ce type de recherche sur les matériaux en est encore à ses débuts et il faudra quelques percées technologiques pour réduire suffisamment les coûts pour commencer à remplacer d’autres matériaux à l’échelle. Pour l’instant, les matériaux à base de carbone prennent pied sur les marchés des boutiques.

Comparaison des technologies CCU sur le coût et le potentiel

Le document de Nature a comparé 10 voies CCU différentes, y compris les voies naturelles, que j’ai exclues ici, et l’EOR, que j’ai couvert dans mon dernier post. Le graphique ci-dessous contient donc des informations étrangères à nos objectifs. Néanmoins, il vaut la peine de l’examiner de près, car il présente les filières en fonction des coûts, du potentiel d’utilisation du CO2 et de l’état de préparation technologique (TRL). Il y a deux scénarios, reflétant l’extrémité basse et l’extrémité haute des projections.

Nature

Zéro sur l’axe vertical est le “coût d’équilibre” actuel (en dollars 2015), le point auquel une technologie est compétitive par rapport aux titulaires. Celles qui sont en dessous de cette ligne sont déjà compétitives. Celles qui se situent au-dessus de la ligne auraient besoin d’une subvention proportionnelle d’une sorte ou d’une autre pour être compétitives.

La largeur des barres indique la quantité de CO2 que la technologie pourrait utiliser annuellement d’ici 2050 (sur la base de projections et d’avis d’experts). Et la couleur d’une barre indique son TRL.

Sur la base du scénario optimiste haut, quelques-unes des voies chimiques (polyol, urée et méthanol) sont déjà compétitives en termes de coûts, bien que leur potentiel d’utilisation du CO2 soit relativement faible, près d’une gigatonne cumulée.

Les filières du béton (granulats et cure) sont assez proches de la compétitivité en termes de coûts et la cure en particulier a un potentiel assez important, surtout si l’on considère que son CO2 compte deux fois, une fois en tant que réduction des émissions, une fois en tant que stockage permanent.

Ce qui est troublant, c’est que les filières technologiques CCU industrielles ayant le plus grand potentiel total d’utilisation du CO2 sont les plus chères par rapport aux opérateurs historiques.

Ensemble, les carburants liquides synthétiques (méthanol, méthane, éther diméthylique et carburants Fischer-Tropsch) pourraient utiliser plus de 4 gigatonnes de CO2 par an d’ici 2050. (À titre de comparaison, les émissions mondiales de CO2 en 2018 étaient d’environ 37 gigatonnes.) Mais ils ont actuellement besoin de quelque chose comme une subvention de 500 dollars par tonne de CO2 pour être compétitifs.

Néanmoins, comme le dit l’article de Nature, “de nombreuses technologies en sont aux tout premiers stades de développement, et l’optimisation des coûts via la recherche et le développement pourrait modifier considérablement ces estimations.” S’il y a une cible pour la R&D concertée qui semble évidente, ce sont les carburants synthétiques.

Voici les mêmes informations sous forme de tableau, si c’est votre truc :

Nature

Une chose que le tableau montre clairement, c’est que les fourchettes sur certaines de ces projections sont extrêmement larges (0 à 670 $ ?), ce qui reflète l’énorme degré d’incertitude impliqué.

La façon dont ces technologies CCU se développeront dépendra de la courbe des prix de l’énergie renouvelable, de la courbe des prix de l’hydrogène vert, des développements dans une série de marchés, et du niveau de R&D et de soutien politique qu’ils reçoivent des législateurs. Tous ces éléments sont individuellement difficiles à prévoir ; deviner comment ils pourraient interagir jusqu’en 2050 est un jeu de devinettes éclairées.

Le CCU peut faire plus s’il y a une politique pour le soutenir

Les conclusions de l’article de Nature reflètent la moyenne d’un très grand nombre d’études et d’experts, qui tentent de déterminer les coûts actuels et ce qui se passera.

Mais il vaut la peine de jeter au moins un coup d’œil rapide à certaines estimations plus optimistes de ce qui pourrait arriver avec une politique de soutien.

En 2016, la Global CO2 Initiative a commandé à Lux Research une feuille de route complète pour le CCU. Elle a non seulement projeté comment les technologies CCU pourraient s’échelonner dans le cadre du statu quo, mais aussi comment elles pourraient s’échelonner si les recommandations politiques de la feuille de route sont suivies.

Voici comment la feuille de route évalue le potentiel de réduction du CO de diverses technologies CCU:

GCI

Comme vous pouvez le voir, suivre les “actions stratégiques” recommandées par le rapport pourrait radicalement étendre le potentiel d’absorption du CO2 à la fois des agrégats et des carburants synthétiques. La feuille de route estime que, à la limite supérieure, “plus de 10 % des émissions annuelles de CO2 peuvent être captées dans ces produits.”

Voici le potentiel de revenu total des marchés de l’UCC:

Encore, les carburants et les agrégats montrent un énorme potentiel, se développant dix ou vingt fois plus sous une bonne politique. La feuille de route estime que, globalement, les revenus annuels des marchés combinés pourraient atteindre entre 800 milliards et 1,1 billion de dollars d’ici 2030.

Comme je l’ai dit, toutes ces estimations sont ténues, mais tout de même, si les technologies CCU peuvent potentiellement se développer en une entreprise de plus de 1 000 milliards de dollars qui réduit les émissions mondiales de 10 %, elles semblent mériter un investissement sérieux d’attention et de ressources. Plus nous pouvons utiliser, moins nous émettrons.

Comment les décideurs politiques devraient-ils aborder les technologies CCU ? Quelle est la bonne façon de les soutenir et, plus largement, la bonne façon d’y réfléchir dans le contexte de la lutte contre le changement climatique au sens large ? J’aborderai ces questions dans mon prochain post.