Qu’est-ce que « l’économie circulaire du carbone » ? Un article pour comprendre la capture, le stockage et la réutilisation du carbone
L’économie circulaire du carbone considère le « carbone » comme une ressource, où le dioxyde de carbone est un sous-produit généré pendant l’utilisation du carbone. Pour bien gérer les ressources et les déchets, il faut mettre en place un modèle économique circulaire fermé à travers les 4R – réduire, réutiliser, recycler et retirer – afin de maintenir la qualité de vie humaine tout en garantissant la sécurité de l’environnement. Cet article présentera ce qu’est l’économie circulaire du carbone, et comment les 4R, la capture, la réutilisation et le stockage du carbone (CCUS) peuvent être mis en œuvre concrètement.
Qu’est-ce que « l’économie circulaire du carbone » ?
Le cycle du carbone est un système naturel de circulation qui maintient la stabilité du climat. Le dioxyde de carbone produit par la respiration biologique, les éruptions volcaniques, la combustion de carburant et la décomposition microbienne, est absorbé par les plantes et les algues, puis ré-enterré ou enfoui dans les fonds marins, permettant d’équilibrer la quantité de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Cependant, les émissions massives de dioxyde de carbone par l’homme depuis la révolution industrielle ont rompu ce cycle équilibré. Nous pouvons considérer l’élément carbone comme une ressource pour les activités économiques humaines, qui produit également un déchet nocif pour l’environnement – le dioxyde de carbone.
Traditionnellement, les humains ont utilisé le carbone dans un modèle économique linéaire, en extrayant des combustibles fossiles riches en carbone tels que le pétrole, le charbon et le gaz naturel, les consommant par combustion, et rejetant finalement le déchet qu’est le dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Ce modèle économique du berceau à la tombe exacerbe l’effet de serre et le changement climatique.
Pour maintenir le modèle économique linéaire, résoudre le problème du changement climatique nécessiterait de réduire au maximum l’utilisation des ressources, ce qui signifierait une baisse de la qualité de vie. Afin de garantir un climat sûr tout en maintenant un environnement de vie confortable, le concept d’économie circulaire du carbone a été proposé, s’inspirant de l’économie circulaire à travers des mesures comme la réutilisation des ressources, la réduction du gaspillage et le zéro déchet, pour que l’élément carbone reste dans un système d’utilisation des ressources fermé, réduisant ainsi les dommages environnementaux.
L’économie circulaire du carbone comprend principalement les 4R – réduire, réutiliser, recycler et retirer – ainsi que le niveau zéro déchet de l’économie circulaire. Contrairement à l’économie circulaire, ces 4 moyens sont tous très importants et s’appuient les uns sur les autres, il n’y a donc pas d’ordre de priorité pour l’allocation des ressources et l’utilisation des programmes.
Les « 4 R » de l’économie circulaire du carbone
Les 4R de l’économie circulaire du carbone sont : Réduire, Réutiliser, Recycler et Retirer. Ils constituent le fondement de l’économie circulaire du carbone.
Les mesures de réduction comprennent : l’amélioration de l’efficacité de la production et du transport d’énergie, réduisant ainsi la quantité de carburant utilisée pour la production d’électricité et d’énergie mécanique ; l’augmentation de la production d’énergies renouvelables comme l’hydroélectricité, l’énergie nucléaire, l’éolien, les marées, le solaire et la géothermie, réduisant ainsi la quantité de carbone utilisée dans la production d’électricité.
Les mesures de réutilisation comprennent : l’utilisation pour augmenter le rendement des cultures en serre, l’alimentation des algues pour enrichir la nourriture des huîtres ou du saumon, la transformation en carbonate de calcium comme matière première pour les matériaux de construction, la production de boissons gazeuses, l’utilisation comme gaz réfrigérant, l’augmentation du taux de récupération du pétrole.
Les mesures de recyclage comprennent : la conversion en méthane, méthanol et autres carburants par énergie électrique ou thermique ; la production d’engrais chimiques ; de plastiques et de caoutchouc synthétique.
Le retrait est un moyen d’éliminer le dioxyde de carbone par des moyens naturels ou artificiels, comme la restauration des zones humides, l’agriculture à faible labour et les techniques de culture de couverture pour planter des arbres, ou la capture directe du dioxyde de carbone dans l’air, et stocker ce dioxyde de carbone dans des systèmes pouvant conserver le CO2 pendant des centaines d’années, comme des roches ou la croûte terrestre.
Réduire : réduire les émissions de carbone dans l’atmosphère
Les mesures de « réduction » dans l’économie circulaire du carbone visent à réduire les émissions de dioxyde de carbone dans l’atmosphère à la source, réduisant ainsi la quantité de CO2 à gérer et à capturer. Elles sont actuellement mises en œuvre principalement de plusieurs façons :
Améliorer l’efficacité du transport :
Selon l’Agence internationale de l’énergie, améliorer l’efficacité énergétique des transports pourrait réduire les émissions mondiales de plus de 20%. Dans le transport routier, réduire le poids des véhicules et améliorer le rendement des moteurs, tout en augmentant la part de marché des véhicules électriques, devrait permettre de maintenir les émissions de CO2 au niveau de 2018 même si le nombre total de véhicules continue d’augmenter. Si le parc automobile commence à stagner ou même à diminuer, les émissions de CO2 pourront être progressivement réduites.
Améliorer l’efficacité des bâtiments et des appareils :
Il existe déjà suffisamment de technologies pour améliorer l’efficacité énergétique des équipements de cuisson, de chauffage de l’eau et de chauffage et de refroidissement des locaux. De nombreux pays utilisent des taxes ou des subventions pour encourager leur adoption. Rien que l’amélioration des matériaux d’isolation pourrait réduire de moitié la consommation d’énergie mondiale pour le chauffage, et l’adoption de systèmes de refroidissement centralisés pourrait réduire de moitié la consommation d’énergie pour la climatisation.
Amélioration des équipements industriels :
Bien que les activités industrielles augmentent avec la population et le pouvoir d’achat, elles passent progressivement des industries lourdes à forte intensité énergétique vers des industries légères à faible intensité énergétique. Les industries légères seront la clé pour réduire les émissions de CO2, grâce à l’adoption de nouveaux équipements plus efficaces produisant moins de chaleur résiduelle. Dans les industries lourdes à forte intensité énergétique, la réduction des émissions de CO2 passera principalement par l’augmentation des taux de recyclage des matériaux, incluant les métaux, le verre et les plastiques usagés.
Énergies renouvelables
Les énergies renouvelables proviennent de sources inépuisables, notamment la géothermie, l’éolien, les marées, le solaire et la biomasse. Les plus matures et prometteuses sont l’énergie solaire et éolienne, tandis que la biomasse compense l’intermittence des deux précédentes. La production d’électricité renouvelable ne génère aucune émission de CO2, elle est donc indispensable pour de nombreuses mesures de l’économie circulaire du carbone, comme la purification du CO2 capturé et sa conversion en différents produits, qui nécessitent beaucoup d’énergie. L’utilisation d’énergies renouvelables augmente donc les possibilités.
Énergie nucléaire
Bien que le nucléaire ne soit pas renouvelable, sa production d’électricité ne génère pas d’émissions de CO2. Hormis les accidents, c’est aussi la source d’énergie bas carbone la plus fiable et stable. En 2019, elle était devenue la 2ème source d’électricité bas carbone mondiale après l’hydroélectricité, soutenant l’approvisionnement intermittent des renouvelables. Outre la production d’électricité, la chaleur nucléaire peut aussi être utilisée pour l’industrie, le résidentiel, le dessalement de l’eau de mer et la production d’hydrogène, réduisant les émissions de CO2 de multiples façons.
Réutiliser : collecter et réutiliser le dioxyde de carbone
Les mesures de « réutilisation » dans l’économie circulaire du carbone consistent à utiliser le dioxyde de carbone de manière directe ou à faible consommation d’énergie pour produire de nouveaux produits :
Extraction de pétrole :
Réinjecter le CO2 dans les gisements de pétrole permet d’augmenter la production en faisant s’écouler le pétrole difficilement extractible vers les puits de production, tout en stockant le CO2 dans ces gisements. Les quantités stockées peuvent même dépasser les émissions liées à la combustion du pétrole supplémentaire extrait.
Matériaux de construction :
L’injection de CO2 dans le béton durant le malaxage permet de produire du carbonate de calcium qui constitue une part du chargement, du liant et de la solidification, améliorant les performances du béton par rapport à un béton traditionnel. Le CO2 peut être fixé dans un matériau stable pendant des centaines d’années.
Engrais (urée) :
L’urée est produite par réaction de l’ammoniac avec le dioxyde de carbone, issu principalement comme sous-produit de la production d’ammoniac. L’urée est épandue dans les sols pour que l’azote soit absorbé par les cultures, le CO2 est libéré dans le sol puis retourne dans l’atmosphère.
D’autres utilisations commerciales :
Refroidissement, production de boissons gazeuses, stimulation de la croissance des plantes et des algues en serre, etc. Bien que la demande pour ces usages soit en augmentation, leur faible volume global limite leur contribution à l’économie circulaire du carbone.
Recycler : convertir le carbone par réaction chimique en nouveaux produits
Les mesures de « recyclage » dans l’économie circulaire du carbone consistent à recombiner et transformer le dioxyde de carbone avec d’autres substances par énergie ou haute température, pour produire de nouveaux produits ou énergies.
Carburants de synthèse :
Convertir le CO2 en carburants nécessite beaucoup d’énergie externe du fait de la grande stabilité de la molécule. La voie la plus mature consiste à le combiner à de l’hydrogène produit par électrolyse pour former des hydrocarbures tels que le méthane, en remplacement des carburants fossiles.
Produits chimiques de synthèse :
Le CO2 peut être utilisé comme matière première pour de nombreux produits chimiques carbonés tels que plastiques, fibres textiles et caoutchouc synthétique, dont le carbone provient aujourd’hui surtout des carburants fossiles. Cependant, la synthèse de ces produits nécessite beaucoup d’électricité et d’eau, les énergies renouvelables et le choix du site sont donc critiques.
Granulats de construction :
Les scories d’aciérie ou cendres issues de centrales ou de procédés industriels peuvent réagir avec le CO2 après séparation et purification à haute température et pression, produisant des granulats pour la construction.
Retirer : capter le carbone dans l’air et le stocker
Bien que la réduction, la réutilisation et le recyclage contribuent à une gestion efficace des ressources carbonées et des déchets, les quantités de CO2 dans l’économie circulaire du carbone sont déjà excessives. La réutilisation et le recyclage ne font que stocker temporairement le CO2 dans d’autres produits comme les carburants ou les engrais, qui finissent par le relâcher. Certains procédés comme la fabrication de matériaux de construction peuvent stocker le CO2 sur le long terme, mais leur demande limitée ne permet pas d’éliminer des quantités suffisantes de CO2. Il est donc nécessaire de retirer le CO2 par des moyens de séquestration, l’éliminant totalement du système d’utilisation des ressources carbonées.
Séquestration géologique :
Injecter le CO2 capturé dans l’atmosphère ou les systèmes de collecte des déchets dans des formations géologiques profondes imperméables pour éviter les fuites.
Boisement :
La photosynthèse des arbres convertit le CO2 en oxygène, le retirant de l’atmosphère. Les mangroves, qui poussent dans les zones humides, stockent durablement le carbone sous forme de biomasse du fait de la difficulté de décomposition après leur mort. Leur capacité de séquestration par unité de surface est 3 à 5 fois supérieure à celle des forêts tropicales, leur plantation et la protection des zones humides sont donc des moyens importants d’éliminer le CO2.
CCUS : Capture, réutilisation et stockage du carbone
La technologie CCUS a évolué à partir du CCS (CO2 Capture and Storage), en ajoutant la possibilité de réutilisation, concrétisant totalement l’économie circulaire du carbone. Nous décrirons ci-dessous la capture, le transport, la réutilisation et le stockage du CO2 dans le cadre du CCUS :
Capture du CO2 :
Le CO2 est principalement capturé au niveau des cheminées des centrales à charbon ou à gaz, dans l’air et dans l’océan.
Les cheminées des centrales thermiques sont les meilleurs points de captage, contenant de grandes quantités de CO2. Depuis les années 1950, des bassins de solution d’amines sont installés dans les conduits pour capturer le CO2, qui forme des carbonates solubles dans l’amine, avant d’être libéré par chauffage et pressurisation.
La capture directe dans l’air (Direct Air Capture) retire le CO2 de l’atmosphère en le faisant réagir avec une solution de potassium pour former du carbonate de potassium, qui réagit ensuite avec de la chaux pour produire du carbonate de calcium stockant le CO2. On peut aussi utiliser des ventilateurs pour faire circuler l’air à travers des filtres qui relâchent le CO2 par réchauffement. La capture directe nécessite beaucoup de surface de contact avec l’air et donc de vastes terrains.
La concentration de CO2 dans l’océan est des dizaines de fois supérieure à celle dans l’air. Absorber le CO2 de l’eau de mer s’apparente à du dessalement : l’eau de mer aspirée laisse passer par osmose un faible volume (environ 1%) de saumure carbonatée, le reste retournant à la mer après élimination du CO2. Cette saumure peut ensuite être purifiée pour récupérer le CO2.
Transport du CO2 :
Le CO2 capturé est d’abord pressurisé pour le liquéfier, puis stocké dans des bouteilles d’acier ou transporté par pipeline. Pressurisation et transport nécessitent de l’énergie, il est donc essentiel d’utiliser des énergies renouvelables issues de la réduction à cette étape.
Réutilisation du CO2 :
Une fois collecté, le CO2 peut être réutilisé ou recyclé de diverses manières déjà évoquées pour produire carburants, produits chimiques, matériaux de construction et biens de consommation, bouclant l’économie circulaire du carbone.
Stockage du CO2 :
Outre la réutilisation, le CO2 peut être compressé en un fluide supercritique, puis injecté à plus de 800 m de profondeur dans des formations géologiques adéquates pour un stockage permanent. Ces sites utilisent souvent d’anciens puits de pétrole offshore, limitant l’énergie nécessaire pour forer.
Pourquoi l’économie circulaire du carbone est-elle importante pour nous ?
Pour éviter les menaces du changement climatique sur nos conditions de vie tout en maintenant le développement économique et la qualité de vie actuels, l’économie circulaire du carbone est indispensable. En réduisant l’exploitation de ressources carbonées organiques, en empêchant leur transformation en CO2 atmosphérique, et en convertissant par retrait le CO2 atmosphérique en carbone organique ou en le stockant dans la croûte terrestre, elle vise à ramener à terme la concentration de gaz à effet de serre à son niveau pré-industriel, conformément à la trajectoire fixée par le GIEC pour atténuer l’impact humain sur le climat.