Nous devons mieux comprendre la capture, le stockage et l’utilisation du carbone (CCUS). Pour ce faire, cet article examine 10 méthodes et estime la quantité de CO2 que chacune d’entre elles permettra de retirer de l’atmosphère d’ici 2050, ainsi que le coût par tonne. Dans leur liste, les auteurs, Ella Adlen et Cameron Hepburn, de l’université d’Oxford, couvrent le domaine industriel (par exemple, le CO2-EOR, les biocarburants) et le domaine biologique (par exemple, la foresterie, la séquestration du carbone dans le sol). Ils affirment que six d’entre elles peuvent être compétitives en termes de coûts et rentables bientôt, voire maintenant : Les produits chimiques à base de CO2, les matériaux de construction en béton, la RAP-CO2, la foresterie, le piégeage du carbone dans le sol, le charbon bio. Quatre ne le sont pas (encore ?!): les carburants à base de CO2, les microalgues, la bioénergie avec CCS (BECCS), l’amélioration de la météorologie. C’est important car plus chacun d’entre eux est proche de devenir une activité rentable, plus vite cela se produira. Les auteurs soulignent que leurs coûts sont probablement surestimés : il est loin d’être facile de prévoir les percées technologiques au cours des prochaines décennies. Mais, dans le même ordre d’idées, il existe également de grandes incertitudes quant à l’évolutivité, la permanence de la capture et la propreté du futur mélange énergétique utilisé pour alimenter certaines méthodes. Ces incertitudes doivent être résolues rapidement car il n’y aura pas de transition réussie sans CCUS réussi.

Peut-on transformer le CO2, le gaz résiduel en grande partie responsable du réchauffement climatique, en une matière première précieuse ? La question est apparue pour la première fois lors de la crise pétrolière des années 1970, lorsqu’on cherchait des alternatives au pétrole rare.

L’idée a refait surface sur la vague de la réflexion sur l’économie circulaire, déclenchée par les préoccupations climatiques et dans le but d’inciter à la capture du carbone. Mais les opinions sur l’utilisation du CO2 oscillent entre scepticisme et enthousiasme.

Une mauvaise compréhension signifie une mauvaise stratégie

De nouvelles approches apparaissent constamment. Les allégations de « CO2 évité », « CO2 supprimé » ou « réduction des émissions de CO2 » peuvent facilement être confondues, et les entreprises et les gouvernements commencent à investir dans diverses technologies candidates sans avoir la vue d’ensemble sous la main.

Dans une nouvelle perspective de Nature, nous avons entrepris de préciser ce qu’est l’utilisation du CO2, comment elle pourrait être liée aux suppressions de CO2 et aux réductions d’émissions, et si ces technologies sont rentables ou évolutives.

En tant qu’équipe, nous représentons des économistes, des ingénieurs, des chimistes, des pédologues et des modélisateurs climatiques – tout le spectre des opinions sur l’utilisation. Notre étude est la plus complète à ce jour sur l’ampleur et les coûts relatifs des différentes manières d’utiliser le CO2.

Qu’est-ce que l’utilisation du CO2 ?

Conventionnellement, l' »utilisation du CO2″ est un processus industriel qui fabrique un produit économiquement valable en utilisant le CO2 à des concentrations supérieures aux niveaux atmosphériques. Le CO2 est soit transformé par des réactions chimiques en matériaux, produits chimiques et combustibles, soit utilisé directement dans des processus tels que la récupération assistée du pétrole.

Cette définition a ses raisons historiques, mais ce n’est pas le seul type d’utilisation du CO2. Depuis longtemps, on réfléchit également à la manière d’utiliser le carbone naturel – le carbone fabriqué par les plantes à partir du CO2 atmosphérique – comme matière première pour fabriquer des produits de valeur. Et les techniques d’utilisation du CO2, telles que la séquestration du carbone dans le sol, par leur capacité à améliorer le rendement des cultures, peuvent également constituer un produit économique.

Dans notre article, nous examinons 10 voies spécifiques d’utilisation du CO2, mieux classées par des considérations sur la facilité avec laquelle le carbone circule dans les sphères de la Terre et où il finit, comme le montre la figure ci-dessous.

Le stockage du CO2 : Ouvert, fermé et cyclage

Cette figure montre les voies d’utilisation  » ouvertes  » (flèches violettes) qui stockent le CO2 dans des systèmes naturels peu étanches, comme les forêts, qui peuvent se transformer très rapidement de puits en source. Les voies « fermées » (en rouge), comme les matériaux de construction, offrent un stockage quasi permanent du CO2. Enfin, l’utilisation « cyclique » (jaune), comme les carburants à base de CO2, qui déplace le carbone sur de courtes échelles de temps.

Atténuation du climat + gain économique

Les dix voies d’utilisation du CO2 dans notre figure offrent toutes une sorte de motivation économique, ainsi qu’un certain degré de potentiel d’atténuation du climat.

L’utilisation du CO2 peut aider de deux manières principales : l’élimination et le stockage à long terme du CO2 atmosphérique ; et la réduction des émissions de CO2 dans l’atmosphère. Potentiellement, l’utilisation du CO2 pour fabriquer des produits de valeur pourrait également compenser une partie des coûts de l’atténuation du changement climatique.

Nos estimations montrent qu’à l’extrémité supérieure, plus de 10 milliards de tonnes de CO2 (GtCO2) par an pourraient être utilisées – par rapport à des émissions mondiales de 40GtCO2 – pour moins de 100 dollars par tonne.

La majeure partie de cette utilisation est associée au stockage à moyen ou long terme dans des voies ouvertes et fermées. Cependant, il y a plusieurs problèmes et défis à surmonter avant qu’une utilisation aussi importante puisse être réalisée.

L’utilisation du CO2 ne garantit pas l’atténuation

En outre, même si l’utilisation du CO2 était un succès, cela ne signifie pas nécessairement qu’elle serait bénéfique pour le climat. Si elle est effectuée sans réflexion, l’utilisation du CO2 – à l’instar d’autres approches qui éliminent et/ou stockent le CO2 – pourrait ne pas contribuer du tout à l’atténuation.

Les problèmes possibles comprennent non seulement les émissions directes de CO2, mais aussi d’autres émissions de gaz à effet de serre ; les changements directs et indirects d’utilisation des sols ; les émissions provenant d’autres parties du processus ; les fuites (lorsque les émissions augmentent par la suite dans d’autres parties du système plus large) ; et le déplacement impermanent (lorsque les émissions sont seulement retardées plutôt qu’évitées pour de bon).

En raison de ces problèmes, le fait que la mise en œuvre d’une technologie d’utilisation du CO2 soit bénéfique pour le climat dépendra d’une foule de facteurs. Les plus importants d’entre eux sont :

• Source d’énergie : Les technologies d’utilisation du CO2 peuvent être gourmandes en énergie. Cette énergie doit être renouvelable : soit directement du soleil, soit par le biais de technologies renouvelables.
• Contexte plus large de décarbonisation : Certaines de ces technologies n’ont de sens en tant que stratégies d’atténuation qu’à certains moments du processus global de décarbonisation. Par exemple, l’utilisation de la récupération assistée du pétrole pour séquestrer le CO2 pourrait être utilisée à court terme avant que les systèmes d’énergie et de transport ne soient décarbonisés.
• Échelle : Afin de faire une différence appréciable sur les flux mondiaux de CO2, les voies doivent avoir le potentiel de s’échelonner rapidement. La fenêtre pour l’action climatique est petite et construire une toute nouvelle industrie d’utilisation du CO2 dans le temps nécessaire est un défi non trivial.
• Permanence : Les technologies les plus impactantes seront celles qui éliminent de façon permanente le CO2 atmosphérique ou qui déplacent de façon permanente les émissions de CO2.

Les 10 voies et leurs perspectives…

Ci-après, nous comparons l’échelle et le coût potentiels des différentes voies d’utilisation du CO2. Dans l’ensemble, l’utilisation du CO2 a le potentiel de fonctionner à grande échelle et à faible coût, ce qui signifie qu’elle pourrait être un gros business à l’avenir.

Les évaluations d’échelle pour 2050 proviennent d’un processus d’estimations structurées, de consultations d’experts et de vastes revues de cadrage. Nos estimations de coûts sont des coûts d’équilibre – ce qui signifie qu’elles prennent en compte les revenus – et sont présentées sous forme de fourchettes interquartiles à partir d’études technico-économiques recueillies lors des examens de cadrage. Cela signifie que les coûts sont rétrospectifs et susceptibles de sous-estimer la capacité des filières à réaliser des économies d’échelle. Des coûts négatifs signifient que le processus est rentable selon les hypothèses actuelles.

Les produits chimiques du CO2

La réduction du CO2 en ses composants constitutifs à l’aide de catalyseurs et l’utilisation de réactions chimiques pour construire des produits, tels que le méthanol, l’urée (à utiliser comme engrais) ou les polymères (à utiliser comme produits durables dans les bâtiments ou les voitures), pourraient utiliser 0.3 à 0,6GtCO2 par an en 2050, à des coûts compris entre -80 et 300 dollars par tonne de CO2.

Carburants à base de CO2

La combinaison de l’hydrogène avec le CO2 pour produire des carburants à base d’hydrocarbures, y compris le méthanol, les synfuels et le gaz de synthèse pourrait répondre à un marché énorme – par exemple, à travers les infrastructures de transport existantes – mais les coûts actuels sont élevés. Ensemble, les carburants à base de CO2 pourraient utiliser 1 à 4,2GtCO2 par an en 2050, mais les coûts atteignent 670 dollars par tonne de CO2.

Microalgues

L’utilisation de microalgues pour fixer le CO2 à des rendements élevés, puis le traitement de la biomasse pour fabriquer des produits, tels que des carburants et des produits chimiques de grande valeur, a fait l’objet d’efforts de recherche pendant de nombreuses années. Avec une économie de production complexe, les coûts se situent entre 230 et 920 dollars par tonne de CO2, et les taux d’utilisation en 2050 pourraient être de 0,2 à 0,9GtCO2 par an.

Matériaux de construction en béton

Le CO2 peut être utilisé pour « durcir » le ciment, ou dans la fabrication de granulats. En procédant ainsi, on stocke une partie du CO2 à long terme et on pourrait remplacer le ciment conventionnel à forte intensité d’émissions. Avec une urbanisation mondiale accélérée, mais un environnement réglementaire difficile, nous estimons un potentiel d’utilisation et de stockage de 0,1 à 1,4GtCO2 en 2050, avec des coûts actuels compris entre -30 et 70 dollars par tonne de CO2.

La récupération assistée du pétrole par le CO2 (EOR)

L’injection de CO2 dans les puits de pétrole peut augmenter la production de pétrole. Normalement, les opérateurs maximisent le pétrole et le CO2 récupérés dans le puits, mais, de manière critique, il est possible d’exploiter l’EOR de sorte que plus de CO2 soit injecté et stocké que ce qui est produit lors de la consommation du produit pétrolier final. Nous estimons que 0,1 à 1,8GtCO2 par an pourrait être utilisé et stocké de cette manière en 2050, à des coûts compris entre -60 et -40 dollars par tonne de CO2.

Bioénergie avec captage et stockage du carbone (BECCS)

Dans la bioénergie avec captage du carbone, l’opérateur capte le CO2 en faisant pousser des arbres, produit de l’électricité grâce à la bioénergie et séquestre les émissions qui en résultent. Avec une approximation des revenus de l’électricité, nous estimons les coûts d’utilisation entre 60 et 160 dollars par tonne de CO2. Quelque 0,5 à 5 GtCO2 par an pourraient être utilisés et stockés de cette manière en 2050. Ce chiffre est inférieur à certaines estimations du BECCS publiées précédemment et représente un niveau de déploiement qui tient compte d’autres objectifs de durabilité.

Météorisations accrues

Le broyage de roches, comme le basalte, et leur épandage sur le sol peuvent entraîner la formation accélérée de carbonate stable à partir du CO2 atmosphérique. Il est probable que le fait de procéder de la sorte sur les terres agricoles entraîne une amélioration des rendements. Cependant, la nature très précoce de cette voie signifie que nous n’avons pas fait d’estimations pour 2050.

Foresterie

Le bois d’œuvre des forêts nouvelles et existantes est un produit économiquement précieux qui pourrait potentiellement stocker le CO2 dans les bâtiments et, ce faisant, remplacer l’utilisation du ciment. Nous estimons que jusqu’à 1,5GtCO2 pourrait être utilisé en 2050 de cette manière, à des coûts compris entre -40 et 10 dollars par tonne de CO2.

Séquestration du carbone dans le sol

Les techniques de gestion des terres pour la séquestration du carbone dans le sol peuvent non seulement stocker le CO2 dans le sol mais aussi améliorer les rendements agricoles. Nous estimons que le CO2 utilisé sous la forme de ce rendement accru pourrait atteindre 0,9 à 1,9GtCO2 par an en 2050, à des coûts de -90 à -20 dollars par tonne de CO2.

Biochar

Le biochar est de la biomasse « pyrolysée » : du matériel végétal qui a été brûlé à des températures élevées sous de faibles niveaux d’oxygène. L’application de biochar sur les sols agricoles a le potentiel d’augmenter le rendement des cultures de 10% – mais il est très difficile de fabriquer un produit cohérent ou de prédire les réactions du sol. Nous estimons qu’entre 0,2 et 1GtCO2 pourrait être utilisé par le biochar en 2050, à des coûts d’environ -65 dollars par tonne de CO2.

Capacité, coûts comparés

La figure récapitulative ci-dessous montre une estimation de la quantité de CO2 qui pourrait être utilisée par chaque voie (la largeur de chaque colonne) et les coûts d’équilibre associés (la hauteur des colonnes).

Le scénario bas (graphique de gauche) et le scénario haut (de droite) reflètent l’éventail des résultats en fonction des niveaux d’investissement, d’adoption et d’améliorations technologiques d’ici 2050. L’ombrage fait référence à l’état de préparation technologique, allant de faible ou variable (nuances pâles) à élevé (nuances plus foncées). Les astérisques font référence à la durée du stockage du CO2, allant de quelques jours ou mois (astérisque simple) à des siècles ou plus (astérisque triple).

La figure ci-dessus montre que l’utilisation du CO2 pourrait générer des flux importants de CO2 en 2050 – et que l’on peut s’attendre à ce que certaines voies soient rentables en soi. Nous pensons qu’il pourrait s’agir d’une opportunité de tirer parti de ces flux à des fins d’atténuation du changement climatique.

Cependant, les graphiques soulignent également la grande incertitude quant à l’ampleur de ce potentiel et aux coûts probables pour l’exploiter. Pour que l’utilisation du CO2 soit déployée avec succès dans la lutte contre le changement climatique, ces incertitudes doivent être résolues parallèlement aux défis potentiels – et non triviaux – dont l’intensité énergétique et la permanence du stockage du carbone ne sont que deux exemples.

Le Dr Ella Adlen est responsable de la recherche et des programmes à l’Oxford Martin School de l’Université d’Oxford

Le professeur Cameron Hepburn est directeur de la Smith School of Enterprise and Environment de l’Université d’Oxford

Cet article est publié sous une licence CC de Carbon Brief

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