CO2 : le nouvel or noir

Le CO2 n’est pas seulement un gaz à effet de serre contribuant au réchauffement climatique. Il favorise la croissance des plantes et intervient dans la production de produits chimiques et de carburants. Alors pourquoi l’enfouir sous terre ? Les chercheurs de Siemens ont bien d’autres idées.

Les algues créent de la biomasse à partir du CO2, en étant 5 à 10 fois plus efficaces que les plantes terrestres. Elles pourraient remplacer le pétrole dans la production de carburants ou de plastiques.

Si cela ne tenait qu’à Osman Ahmed, tous les immeubles de la terre seraient des arbres. O. Ahmed, qui est responsable de la Recherche et innovation à la Division Building Technologies de Buffalo Grove, Illinois, aimerait voir partout des bâtiments « verts », au sens métaphorique du terme. « Si nous appliquons les principes de la photosynthèse aux revêtements des façades, tous les bâtiments pourraient convertir le dioxyde de carbone (CO2) présent dans l’air en autres dérivés du carbone, tels que le méthanol », dit-il en évoquant sa vision « Building as a tree », sur laquelle il travaille avec Maximilian Fleischer, de Siemens Corporate Technology (CT) à Munich, en Allemagne. Ces revêtements contiendraient des nanoparticules de pigments favorisant la capture de la lumière comme la chlorophylle des plantes, ainsi que du dioxyde de titane, que l’on trouve dans certains revêtements de murs et dentifrices et qui, comme le silicium des cellules photovoltaïques, transforme la lumière en électricité. « Les revêtements peuvent être verts comme des feuilles, mais aussi oranges, roses ou gris », ajoute O. Ahmed.

L’énergie solaire capturée pourrait être utilisée pour transformer le CO2 en des combustibles tels que le méthanol, qui seraient ensuite transportés vers un réservoir à l’intérieur du bâtiment, via un réseau de conduites capillaires. De là, ils pourraient être acheminés ailleurs ou utilisés sur place pour produire de la chaleur ou de l’électricité. O. Ahmed est fasciné par le potentiel de cette méthode : « En utilisant ne serait-ce qu’un quart du rayonnement solaire projeté sur les bâtiments aux Etats-Unis, on pourrait réutiliser une grande partie du CO2 émis dans le pays », explique-t-il.

Mais atteindre un rendement énergétique de 25 % avec de tels systèmes relève encore de la vision – même si cette vision fait rêver. L’Association de l’industrie chimique allemande considère la photosynthèse artificielle comme « une des solutions les plus attractives à long terme » pour recycler le CO2. En réalité, Dyesol, fabricant australien de cellules photovoltaïques, produit déjà des cellules à colorant en dioxyde de titane qui, placées sur un toit, transforment la lumière en électricité avec un rendement de 10 %. Depuis fin 2009, le gallois G24 Innovations fabrique des cellules solaires semblables sur substrat plastique, utilisées pour l’alimentation électrique. Cependant, la transformation du CO2 et de l’eau en méthanol et en oxygène grâce à la lumière du soleil est encore un objet de recherche fondamentale. Les études visent principalement à mettre au point des catalyseurs adaptés et stables pour la réaction chimique.

La photosynthèse artificielle est l’une des nombreuses solutions permettant de recycler le CO2, gaz nocif pour l’environnement, plutôt que de le rejeter dans l’atmosphère ou de l’enfouir dans le sol. En effet, tout ce qui est produit aujourd’hui à partir de matières premières fossiles – des carburants aux plastiques – pourrait théoriquement l’être à partir de CO2.

Des experts en science, économie et industrie ont examiné les méthodes de recyclage du CO2 les plus prometteuses lors d’un colloque organisé à Bonn à l’automne 2009 par Siemens et le ministère fédéral allemand de l’Éducation et de la Recherche (BMBF). « Notre premier objectif était d’illustrer le potentiel de réalisation des diverses stratégies d’utilisation du CO2 », explique Jochen Kölzer, de Siemens CT. Le BMBF investira à lui seul 100 millions d’euros au cours des 5 prochaines années en recherche et développement dans ce domaine.

Algues et biocarburants

Lors du colloque de Bonn, les participants se sont notamment penchés sur le recyclage du CO2 par les algues. « Grâce à la photosynthèse, les algues créent de la biomasse à partir des atomes de carbone du CO2, en étant 5 à 10 fois plus efficaces que les plantes terrestres », rapporte Manfred Baldauf, chimiste à Siemens CT à Erlangen. Cette biomasse pourrait servir à produire du biogaz, du biodiesel et des bioplastiques. L’eau potable n’est pas nécessaire à la culture des algues, qui se développent parfaitement dans l’eau saumâtre ou même l’eau de mer. « L’exploitation des algues ne concurrence pas les cultures alimentaires, puisque les bioréacteurs peuvent être construits sur des terrains inutilisables », explique M. Baldauf.

Le colloque a cependant révélé qu’il faudrait une surface équivalente à 7 000 terrains de football pour recycler les émissions d’une centrale à charbon de 100 MW. Avec ses 600 m2, l’installation pilote de la centrale au lignite de Niederaußem (près de Cologne) permet à RWE Power de recycler en un an moins de CO2 que la centrale n’en émet en15 s. d’exploitation.

La recherche dans ce domaine est tout de même très intéressante, car les algues récupèrent directement le CO2 des effluents gazeux de la centrale. La chaleur dissipée de la centrale favorise même leur croissance. De nombreuses institutions de recherche travaillent à améliorer le processus, leur objectif étant d’augmenter la quantité de lumière apportée au système, et d’élaborer des méthodes de recyclage des nutriments essentiels pour les algues, comme les phosphates et les oxydes d’azote. Les eaux usées industrielles pourraient également servir de source de nutriments.

Les chercheurs de CT ont développé une méthode consistant à ajouter des particules de magnétite aux algues : pour récolter les algues, il suffit ensuite d’utiliser un aimant, sans avoir besoin de vider l’eau. Ce système a l’avantage de permettre la culture d’algues en zone aride, car il réduit les pertes d’eau.

Une matière première industrielle ?

Quand il s’agit de recycler le CO2, les chercheurs peuvent s’inspirer de certaines technologies éprouvées. Le CO2 est en effet une source importante de carbone pour l’industrie chimique depuis des décennies. Ce secteur transforme chaque année environ 110 millions de tonnes de CO2, rapporte Michele Aresta, professeur de chimie à l’université de Bari, en Italie. Le CO2 est utilisé dans la fabrication de l’urée, qui peut ensuite être transformée en engrais ou en résines synthétiques. L’acide salicylique de l’aspirine est aussi fabriqué avec l’aide du CO2.

La production de méthanol pourrait jouer un rôle clé dans le recyclage du CO2 : cet alcool, qui est actuellement fabriqué industriellement à partir d’un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène, pourrait également être produit à partir de CO2 et d’hydrogène.

Aujourd’hui, le méthanol est principalement utilisé comme solvant et matière première pour des produits chimiques industriels. Il peut aussi être utilisé dans les cellules photovoltaïques, ou comme carburant. « On pourrait utiliser immédiatement le méthanol comme additif pour essence, sans avoir besoin de construire de nouvelles infrastructures et des pompes d’approvisionnement », observe M. Baldauf. Le méthanol peut aussi être transformé en oxyde de diméthyle, pour servir d’additif au diesel. Même le méthane, en particulier sous la forme sous laquelle il apparaît dans le gaz naturel, pourrait un jour être produit en grande quantité à partir du CO2 et de l’hydrogène, et distribué directement via les réseaux existants.

Dans ce domaine, le facteur décisif pour l’équilibre environnemental est la source de l’hydrogène utilisé. « Si l’hydrogène est extrait du gaz naturel ou du pétrole, comme c’est en général le cas aujourd’hui, l’impact négatif l’emporte sur les avantages », explique M. Baldauf, car on émet alors davantage de CO2 que l’on en utilise. Les chercheurs travaillent sur des méthodes qui permettraient de produire de l’hydrogène à partir de l’eau au moyen d’algues ou d’électricité renouvelable. « Si l’hydrogène est produit dans des parcs éoliens ou solaires, il pourrait être transformé en méthanol ou méthane directement sur place », explique M. Baldlauf. « Cela permettrait en outre de stocker l’excès d’énergie éolienne ou solaire ». L’hydrogène pourrait bien sûr être utilisé directement comme source d’énergie, ce qui doublerait le rendement énergétique. L’inconvénient de cette méthode est qu’elle nécessite des voitures adaptées et de nouvelles infrastructures de transport et d’approvisionnement.

Le CO2 émis par les centrales favorise la croissance des algues. Les silicates peuvent être transformés en substances utiles telles que le carbonate de magnésium.

La minéralisation : la solution à long terme ?

Une autre technologie, la minéralisation du carbone, est encore loin d’être réalisable en pratique mais n’en est pas moins prometteuse. « Lors de la minéralisation, le CO2 se lie chimiquement dans des roches silicatées contenant du magnésium ou du calcium », explique M. Baldauf. Ce processus intervient spontanément dans la nature, mais très lentement. La minéralisation produit des carbonates – une poudre semblable à de la craie utilisée dans l’industrie du papier ou dans la construction. En gymnastique ou en escalade, on s’en sert pour assécher la transpiration sur les mains et améliorer ainsi l’adhérence.

La minéralisation offre un potentiel énorme. « En théorie, la roche d’une seule grande montagne du Sultanat d'Oman suffirait à stocker plus de carbone que l’on ne pourrait jamais en produire au niveau mondial », a expliqué Ron Zerhoven, de l’Abo Akademi en Finlande, lors du colloque de Bonn. Cependant, il faudrait commencer par extraire et pulvériser la roche pour obtenir la plus grande surface possible afin d’accélérer la réaction chimique – une procédure extrêmement consommatrice d’énergie. De plus, il faudrait transporter et stocker des millions de tonnes de carbonate.

De nombreuses autres méthodes en sont encore au premier stade de leur développement. « La plupart d’entre elles sont cependant techniquement réalisables », souligne Günter Reuscher, de l’Association des ingénieurs allemands. L’objectif le plus important à présent est d’élaborer des bilans énergie / CO2 exhaustifs et d’étudier la faisabilité économique d’une éventuelle mise en oeuvre industrielle. Les bilans et analyses des différentes stratégies doivent ensuite être comparés : « Ce n’est qu’ainsi que l’on pourra déterminer quelle solution technologique est la meilleure d’un point de vue environnemental », explique G. Reuscher. Les possibilités de recyclage du CO2 ne doivent pas servir de prétexte pour être moins prudent à l’avenir concernant l’utilisation de matières premières fossiles. Comme le souligne G.Reuscher, « il sera toujours plus efficace d’éviter de produire du CO2 que de le recycler ».

Cependant, grâce à des investissements en recherche et développement et à une collaboration efficace des chimistes et des ingénieurs, le CO2 pourrait devenir un jour un best-seller. C’est déjà le cas dans une raffinerie de pétrole néerlandaise qui utilise ses effluents gazeux pour accélérer la croissance des plantes dans les serres avoisinantes. Le gaz accusé de tous les maux du climat est devenu la vache à lait de cette raffinerie, où il est parfois même en rupture de stock.

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Auteur : Andrea Hoferichter