«Mining the Atmosphere» – le CO2 en tant que matière première
Et si le CO2 n’était plus seulement considéré comme un gaz nuisible au climat, mais comme une matière première précieuse ? C’est à cette vision que travaille l’Empa (institut interdisciplinaire de recherche pour les sciences de matériaux et le développement de technologies du Domaine des EPF) dans le cadre de l’initiative de recherche «Mining the Atmosphere».
Depuis des siècles, les minerais de fer, le charbon et le pétrole, les terres rares et d’autres minéraux précieux sont extraits des sédiments et utilisés comme matières premières essentielles pour de nombreuses industries. Mais depuis le 21e siècle, le terme «mining» englobe bien plus que l’exploitation minière traditionnelle: il désigne par exemple l’obtention de données et de cryptomonnaies. Le concept du «mining» peut aussi s’appliquer à l’atmosphère, qui nous fournit diverses matières premières sous forme de gaz. Ainsi, l’azote de l’air ambiant est utilisé depuis plus d’un siècle dans des procédés chimiques pour produire des engrais végétaux. Dans le sillage du débat actuel sur le climat, l’accent est mis plus particulièrement sur l’extraction du dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère. En stockant le CO2 dans des matériaux durables ou dans le sous-sol pendant des millénaires, on peut atténuer significativement le réchauffement climatique. Ce captage et ce stockage de CO2 à long terme peuvent être réalisés par différents procédés, regroupés sous le terme de technologies d’émission négative (NET).
Technologies d’émission négative (NET)
Bien qu’encore peu connues du grand public, les NET constituent un pilier essentiel de la politique climatique mondiale. Elles sont indispensables afin de compenser les émissions difficilement évitables qui continueront d’être produites après 2050, par exemple dans l’agriculture ou les processus industriels à haute température. Le bilan mondial de CO2 doit même être négatif dès 2050 pour ramener la concentration de CO2 dans l’atmosphère à un niveau sûr et limiter ainsi le réchauffement climatique. Pour y parvenir, plusieurs milliards de tonnes de CO2 doivent être éliminées de l’atmosphère à l’échelle mondiale chaque année, afin de réduire au maximum le risque de franchir des seuils climatiques critiques. En effet, cela pourrait avoir de graves conséquences, comme la fonte de la calotte glaciaire du Groenland ou un affaiblissement du Gulf Stream.
Parmi les principales techniques figure le «Direct Air Carbon Capture and Storage» (DACCS): le CO2 est filtré de l’air et stocké en toute sécurité après son captage afin d’éviter qu’il ne s’échappe à nouveau. Mais le gaz est également extrait de l’atmosphère par différents processus naturels, comme sa séquestration dans la biomasse lors de la croissance des plantes ou sa dissolution et sa capture dans les océans.
Le CO2: une matière première précieuse
Depuis quelques années, l’Empa mène des recherches sur des procédés allant au-delà de la simple capture et du stockage du CO2. Il s’agit d’utiliser ce gaz comme alternative pour remplacer les matières premières fossiles. L’objectif à long terme est d’établir un nouveau modèle économique mondial et les secteurs industriels correspondants, qui transforment le CO2 en tant que matière première en matériaux à valeur ajoutée, afin de remplacer les matériaux de construction et les produits pétrochimiques nuisibles au climat. Car on oublie souvent que le CO2 n’est pas seulement un gaz à effet de serre, mais aussi une ressource utilisée dans divers processus naturels et industriels. L’une des possibilités prometteuses d’utilisation du CO2 capté est, par exemple, sa transformation en carburants synthétiques (e-fuels). D’autres domaines d’application sont la production de matériaux de construction, comme le béton carbonaté, la production d’engrais ainsi que l’emploi du CO2 dans l’industrie agroalimentaire et des boissons. L’utilisation du CO2 de l’atmosphère contribue donc non seulement à réduire le réchauffement mondial, mais offre aussi de nouvelles opportunités économiques dans une économie circulaire durable.
Mining the Atmosphere
Actuellement, l’Empa mène des recherches tout au long de la chaîne de valeur, de l’extraction du CO2 à sa transformation en produits intermédiaires transportables et stockables. L’accent est mis sur deux cas d’application centraux pour les matériaux à base de CO2: tout d’abord, les produits de masse qui ont le potentiel de capturer une grande quantité de carbone. Le CO2 capté est transformé en méthanol synthétique (synthèse du méthanol) ou en méthane (méthanisation). Le méthanol peut servir de matière première pour une multitude de composés organiques aujourd’hui en grande partie produits à partir du pétrole. Le méthane peut être pyrolisé pour donner de l’hydrogène et de la poudre de carbone. L’hydrogène peut être utilisé à des fins énergétiques, tandis que la poudre de carbone sert de matière première pour divers matériaux de construction. L’Empa développe actuellement les premières installations de démonstration afin de poursuivre les recherches sur la fabrication de béton contenant différentes proportions de poudre de carbone. Dans le cadre de la nouvelle unité NEST «Beyond Zero», les résultats des recherches de l’Empa sont directement mis en pratique et développés en vue d’une mise à l’échelle et d’une commercialisation.
Outre les produits de masse, la recherche se concentre d'autre part aussi sur les produits de haute qualité. En font partie les fibres de carbone et le carbone sous forme de charbon végétal, qui sont obtenus par pyrolyse de la biomasse et peuvent être employés, entre autres, dans l’industrie des matériaux de construction, l’agriculture (afin d’optimiser la qualité des sols), le traitement de l’eau et le stockage de l’énergie.
Les bâtiments comme puits de carbone
Aujourd’hui déjà, il est possible de fabriquer un béton aux propriétés mécaniques moyennes, qui présente un bilan net zéro pour les émissions de CO2. «Klark», le béton climatique contenant du charbon végétal de Logbau, est l’un des premiers produits respectueux du climat disponibles sur le marché. Avec des optimisations supplémentaires, l’Empa pourrait même développer un produit en béton avec un bilan net zéro, qui contribuerait activement à réduire les émissions de CO2. Pour réussir la transition vers les matériaux de construction à base de CO2, ceux-ci doivent au moins atteindre, voire idéalement dépasser, les performances des matériaux classiques. Parallèlement, les adaptations nécessaires dues aux différences d’approvisionnement des matériaux à base de carbone dans les processus de construction et de planification doivent rester minimes afin de garantir une large acceptation dans le secteur. Si ces conditions sont remplies, le secteur de la construction doit également accepter certains surcoûts, en particulier si un prix du carbone est introduit sur les sources fossiles et géogènes.
Chaque année, plus de 30 milliards de tonnes de béton sont utilisées dans le monde. Pourtant, ce matériau de construction est considéré comme un polluant climatique, car de grandes quantités de CO2 sont produites lors de la fabrication du ciment, le liant indispensable à ce matériau dur et polyvalent. Le secteur de la construction est donc l’un des principaux responsables du réchauffement climatique d’origine humaine. Si l’on parvenait à utiliser davantage de granulats à base de carbone pour le béton et l’asphalte, on pourrait à nouveau capturer, du moins partiellement, le gaz à effet de serre CO2. Une mise en œuvre cohérente à l’échelle mondiale aurait pour effet d’atténuer le changement climatique d’origine humaine de jusqu’à -1 °C (à l’horizon de 170 ans). C’est pourquoi dans le cadre de «Mining the Atmosphere», les matériaux de construction ont la plus haute priorité : les granulats à base de carbone pour le béton et l’asphalte ainsi que les matériaux d’isolation à base de biomasse pyrolisée.
Les NET sont-elles porteuses d’avenir?
Le captage actif et technique du CO2 de l’atmosphère est très énergivore et entraîne des coûts considérables. Il est donc essentiel que ces processus fonctionnent exclusivement avec de l’énergie issue de sources renouvelables et qu’ils soient mis en place de préférence sur des sites où elle est excédentaire. En Suisse aussi, de tels processus peuvent être mis en œuvre pendant les mois d’été ensoleillés. «Les bâtiments et les infrastructures du monde entier peuvent devenir des puits de carbone et ont le potentiel de réduire la température de 1 °C en 100 à 200 ans» explique Peter Richner, ancien directeur adjoint de l’Empa. Les prochaines années seront donc décisives pour faire passer les technologies du stade de la recherche à une application à grande échelle, et œuvrer ainsi durablement en faveur de la protection du climat. L’Empa a d’ores et déjà contribué à poser les bases de cette évolution avec «Mining the Atmosphere».
Cet article technique est paru le 27 Juin 2025 dans le journal Domotech.
Documents
Sources
Texte: Laura Leibundgut, Polarstern AG
Photos: Empa