Le grand nettoyage de l'atmosphère

Depuis le 19e siècle, l'énergie bon marché sous forme de charbon, de pétrole et de gaz naturel a été le catalyseur d'une poussée de développement comme jamais auparavant dans l'histoire de l'humanité en si peu de temps – et qui se poursuit encore aujourd'hui. La productivité a littéralement explosé, l'espérance de vie a augmenté de plusieurs décennies en Europe et, à l'échelle mondiale, le taux de pauvreté n'a jamais été aussi bas qu'aujourd'hui (même s'il est encore trop élevé dans de nombreuses régions du monde). Mais en même temps, cette croissance fulgurante a entraîné une surexploitation des ressources naturelles de notre planète. Les conséquences en sont la diminution de la biodiversité et le réchauffement climatique, deux phénomènes qui remettent en question à long terme notre base de vie actuelle.

Réduire activement les émissions de gaz à effet de serre

Le réchauffement climatique – et donc une partie de la diminution de la biodiversité – est dû aux émissions de gaz à effet de serre provoquées par l'homme, principalement sous forme de CO₂ et de méthane. Avec l'accord de Paris de 2015, qui vise à limiter le réchauffement climatique, de nombreux Etats, dont la Suisse, se sont fixés pour objectif de réduire leurs émissions de gaz à effet de serre à un niveau de zéro net d'ici 2050. Pour y parvenir, nous devons à la fois augmenter considérablement l'efficacité énergétique de nombreux processus de notre vie et remplacer les énergies fossiles par des énergies renouvelables. Toutefois, certaines émissions seront difficiles à éviter, par exemple dans l'agriculture et dans d'autres secteurs; pour les compenser et parvenir à un bilan nul, il est indispensable de recourir à des «technologies à émissions négatives» qui permettent de réduire activement la quantité de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

Une chose est sûre: Zéro net d'ici 2050 nécessite des efforts considérables, qui vont bien au-delà de ce que la Suisse ou d'autres pays ont décidé et mis en œuvre jusqu'à présent. De plus, le zéro net n'est qu'une première étape; au cours de la seconde moitié de ce siècle, nous devrons atteindre un bilan CO₂ négatif de l'ordre de 10 à 20 milliards de tonnes par an ! La raison en est la longévité du CO₂ dans l'atmosphère. Alors que le méthane, un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant, se décompose entièrement en quelques décennies, le CO₂ émis une fois n'est éliminé naturellement de l'atmosphère qu'au bout de plusieurs siècles. Par conséquent, le réchauffement climatique ne s'arrêtera pas ou ne diminuera pas «du jour au lendemain», même en cas de zéro net. Mais si nous laissons les températures à un niveau nettement plus élevé, des modifications irréversibles du système climatique de la Terre pourraient se produire, avec des conséquences difficilement prévisibles, comme la fonte de la calotte glaciaire du Groenland, qui entraînerait à elle seule une élévation du niveau de la mer de près de sept mètres.

CO₂ comme ressource

Mais même si notre secteur énergétique parvient à s'affranchir du charbon, du pétrole et du gaz, un autre défi reste à relever: le pétrole et consorts servent de matières premières pour les matériaux carbonés les plus divers, du kérosène au bitume utilisé pour l'asphaltage de nos routes, en passant par les polymères et les médicaments. Fabriquer tous ces matériaux à partir de la biomasse n'est guère possible d'un point de vue technique et dépasserait de loin l'offre de biomasse disponible de manière durable. En d'autres termes: Nous avons besoin d'une nouvelle source de carbone.

La réponse à ce double défi est Mining the Atmosphere. L'idée est de retirer de l'atmosphère le CO₂ excédentaire produit par l'homme et de l'utiliser comme matière première pour des matériaux contenant du carbone. Nous utilisons ensuite ces derniers le plus longtemps possible dans des circuits fermés avant qu'ils n'atterrissent dans des puits finaux. Nous garantissons ainsi la fixation du carbone pendant plus de 1000 ans. Le développement de matériaux et de processus nécessaires à cet effet favorise ainsi en fin de compte le passage d'une société émettrice de CO₂ à une société fixatrice de CO₂.

L'initiative de recherche de l'Empa Mining the Atmosphere est – conformément au thème de recherche - conçue à long terme et comprend différents «piliers»: l'extraction du CO₂, sa transformation, les applications des nouveaux matériaux dans les domaines les plus divers et des considérations systémiques telles que les analyses de cycle de vie. Quelles que soient les solutions que nous développerons à l'avenir, nous ne devons jamais perdre de vue une chose : le respect des limites de la planète.

Un élément clé est l'utilisation exclusive d'énergie renouvelable dans tous les domaines ou la question de savoir si celle-ci est disponible en quantité suffisante. Nos réflexions partent du principe que ce sera le cas dans quelques décennies. Le potentiel existe sans aucun doute : Le soleil envoie environ 10 000 fois plus d'énergie à la Terre que ce dont nous avons besoin aujourd'hui. A cela s'ajoute le fait qu'environ 99% de notre planète a une température supérieure à 1'000 degrés – pour ne citer que les deux principales sources d'énergie durables.

Les trois sources de carbone

La «matière première atmosphérique» qu'est le CO2 peut être extraite de trois sources: directement de l'air par Direct Air Capture (DAC), par des procédés électrolytiques à partir des océans, qui absorbent environ un tiers du CO2 anthropogène, et de la biomasse. Le CO2 de l'air et des océans peut ensuite être directement stocké dans des formations géologiques appropriées (Carbon Capture and Storage, CCS). Avec Mining the Atmosphere, nous poursuivons toutefois une voie alternative dans laquelle le CO2 est transformé en hydrocarbures à chaîne courte ou longue au moyen d'hydrogène et peut ainsi remplacer les matières premières fossiles utilisées jusqu'à présent. Parallèlement, les chaînes logistiques existantes peuvent être réutilisées, car il s'agit des mêmes composés du point de vue chimique. Les éléments clés pour une mise en œuvre réussie de cette idée sont les processus catalytiques pour les diverses réactions de transformation chimique et, surtout, la gestion de l'énergie. Car le «paquet global» nécessite une grande quantité d'énergie. Nombre de ces processus ne se dérouleront donc guère en Suisse, mais plutôt là où l'énergie renouvelable est disponible en abondance, par exemple dans la ceinture solaire de la Terre.

Dans une première phase, nous nous concentrons sur deux «cas d'utilisation» pour l'application de matériaux à base de CO2: des produits de masse ayant le potentiel de fixer des milliards de tonnes de carbone et des produits à forte valeur ajoutée qui contribuent ainsi de manière déterminante au financement du projet. Les matériaux de construction représentent de loin la plus grande part des flux de matériaux mondiaux. Les agrégats à base de carbone pour le béton et l'asphalte ainsi que les matériaux d'isolation thermique sont donc actuellement au cœur de nos recherches. Le charbon peut être obtenu soit par pyrolyse de la biomasse, soit à partir de méthane synthétique, qui fournit en outre de l'hydrogène pour des applications énergétiques.

Déjà une longueur d'avance

Avec Mining the Atmosphere, nous voulons montrer une voie praticable pour éviter des changements climatiques aux risques incalculables. Mais pour atteindre notre objectif sur cette voie, nous devons d'abord réduire rapidement et massivement nos émissions de gaz à effet de serre et accélérer considérablement le développement des énergies renouvelables. Avec Mining the Atmosphere, nous préparons déjà la prochaine étape – le grand nettoyage de notre atmosphère polluée par le CO₂.