12.1 Un aperçu du captage, du stockage et de l’utilisation du carbone

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Un certain nombre de rapports produits récemment s’intéressent à l’état des connaissances et aux défis liés à différentes technologies et approches1. Compte tenu de l’importance du captage du carbone dans les scénarios d’atténuation des émissions, de nombreuses trajectoires technologiques s’appuyant sur le captage du carbone ont été développées au cours des dernières décennies. Comme nous l’avons vu dans le chapitre précédent, ces trajectoires deviennent progressivement une réalité à grande échelle. Cette section examine différentes approches qui peuvent être adoptées en matière de CSC2 et insiste sur trois grandes distinctions qui sont utilisées pour différencier les procédés de captage et les activités connexes.  

La première distinction concerne le procédé utilisé pour capter les émissions, selon que le captage est réalisé par un procédé naturel ou industriel. Dans le cadre du cycle mondial du carbone, des échanges de carbone se produisent sans cesse entre les océans, les terres et l’atmosphère. Au cours de ce cycle, le carbone est absorbé par les océans, capté par les plantes pour la photosynthèse et, dans une moindre proportion, fixé dans les organismes vivants. Ce carbone est ensuite rejeté dans l’atmosphère après la décomposition ou la combustion de ces supports organiques. Les changements qui affectent la composition des sols, l’utilisation des terres et les concentrations de CO2 dans les océans sont quelques-uns des facteurs qui ont des impacts sur la quantité de carbone qui est captée naturellement chaque année. Par conséquent, toute mesure ou politique qui entraînera des modifications de ces facteurs, notamment en modifiant l’utilisation des terres ou la gestion des forêts, y compris en procédant à la plantation d’arbres, aura un impact sur les quantités nettes de CO2 qui seront présentes dans l’atmosphère.   

En revanche, le captage industriel des émissions est le résultat de l’utilisation de technologies créées par l’homme. C’est sans doute le principal type d’approches auquel fait référence la terminologie de captage du carbone. De nombreux procédés et technologies ont été développés pour accroître l’efficacité du captage industriel des émissions et le rendre économiquement viable et économe en énergie. Les procédés industriels de captage des émissions sont généralement plus efficaces que le captage naturel. Ce dernier a cependant l’avantage de pouvoir fonctionner simplement grâce à la lumière du soleil, même s’il peut également être utilisé dans des environnements qui sont davantage industriels lorsque la production de sous-produits de valeur permet de compenser une faible productivité du captage de CO2

De même, les gaz captés peuvent être stockés de manière naturelle ou industrielle. Le stockage naturel se fait par l’accumulation de matière organique dans les plantes à longue durée de vie, telles que les arbres, ainsi que dans les environnements anaérobies comme les sols, les tourbières, les lacs ou d’autres plans d’eau. Sans surprise, on constate qu’il existe des incertitudes considérables quant à la stabilité à long terme de ces réservoirs. Le stockage industriel procède par injection des gaz dans des salines souterraines ou des structures géologiques vides ayant contenu des combustibles fossiles, ou encore par transformation des gaz en des formes stables comme les carbonates. 

La seconde grande distinction a trait à l’objectif du captage des émissions, selon que le captage vise à empêcher les émissions à partir d’une source ponctuelle ou à éliminer les gaz qui sont déjà présents dans l’atmosphère pour diminuer leur concentration. La plupart des options technologiques disponibles ou étudiées sont liées au captage du carbone provenant des flux de gaz de combustion à partir de sources ponctuelles résultant de la production d’électricité, des transformations industrielles ou de la production de carburant et d’engrais. Par exemple, quelques installations de production d’électricité à partir du charbon ont été mises en service à l’échelle commerciale dans le monde. La production d’électricité à partir du gaz naturel entraîne des coûts supérieurs, mais elle fonctionne selon les mêmes principes. La production d’électricité ou de chaleur à partir de la biomasse, bien qu’elle soit beaucoup moins efficace, détient cependant un avantage supplémentaire du fait que la matière première qui lui sert de combustible dans la centrale électrique a déjà capté du CO2 de manière naturelle, ce qui, en théorie, permet à cette approche de générer des émissions négatives. La bioénergie associée au captage et au stockage du carbone (BECSC), qui est utilisée dans l’industrie pour produire de la chaleur, de l’électricité ou de l’hydrogène, est au cœur des technologies à émissions négatives qui sont utilisées dans les travaux de modélisation présentés dans ces Perspectives.  

La production d’électricité est souvent le secteur qui est le plus visible en matière de captage des émissions. Or, les principaux secteurs où les activités de captage ont lieu, ou sont en cours de développement, sont ceux de la production de carburant et du captage des émissions provenant des procédés industriels. Dans le cas de l’hydrogène, l’essentiel de la production actuelle provient du reformage du gaz naturel; quatre installations industrielles dans le monde sont couplées à des installations de captage. Le captage du CO2 est réalisé lors de l’opération même de reformage à la vapeur du méthane ainsi qu’à partir de la combustion du combustible qui fournit la chaleur nécessaire au fonctionnement de l’unité de reformage. Le traitement du gaz naturel génère également du CO2 qui provient de l’utilisation d’énergie dans les installations de traitement et du fait que le gaz naturel non traité contient souvent du CO2. En fait, la première usine commerciale qui a utilisé le CUSC en 1972 était une usine de traitement du gaz naturel (Global CCS Institute, 2016). De plus, le CO2 est capté lors du procédé de fermentation utilisé pour la production d’éthanol.

L’industrie se sert également du captage du CO2 dans le cadre de la production de produits chimiques (par exemple l’ammoniac et l’éthylène), la production d’engrais et le captage des émissions provenant des déchets qui vise à permettre la production d’énergie. D’autres procédés industriels pourraient aussi conduire à des activités de captage. La production de ciment, par exemple, entraîne des émissions de CO2 résultant de la calcination du calcaire ainsi que de la combustion de carburant nécessaire pour assurer les besoins en chaleur de cette production. S’il est possible de produire de la chaleur à partir de sources à faibles émissions, les émissions provenant du procédé lui-même demeurent présentes et peuvent être captées. Dans l’industrie de la sidérurgie, la transformation du minerai de fer destiné à l’élaboration de l’acier génère également des émissions. 

Une autre approche consiste à éliminer le CO2 de l’atmosphère grâce à l’EDA3. Comme nous l’avons déjà mentionné, ce processus se produit naturellement, entre autres par photosynthèse, mais il peut également être obtenu par la formation de carbonates métalliques ou à l’aide de sorbants. Il existe différents procédés permettant de réaliser l’EDA par l’entremise de sorbants, qu’ils soient liquides ou solides, qui font appel à l’absorption ou à l’adsorption suivie d’un traitement du sorbant pour permettre le détachement du CO2

Enfin, la troisième grande distinction concerne l’usage qui est fait du CO2 capté, que celui-ci soit stocké ou au contraire valorisé et utilisé, comme le reflète les terminologies CSC (captage et stockage du carbone) et CUC (captage et utilisation du carbone). Différentes combinaisons de ces trois grandes distinctions conduisent à la prise en compte de plusieurs trajectoires dans le cadre du débat sur le CUSC. L’option qui est actuellement privilégiée concernant cette troisième distinction consiste en la récupération assistée du pétrole (voir la section 12.2 ci-dessous). La figure 12.1 présente un résumé des différents procédés de captage du carbone. Les technologies de captage utilisées en matière de sources ponctuelles sont généralement classées en trois catégories, soit les technologies de postcombustion, de précombustion et d’oxycombustion. Le captage par postcombustion est réalisé par absorption chimique ou à l’aide de membranes après la combustion du carburant. Le captage par précombustion procède d’abord à la gazéification du carburant qui est ainsi transformé en CO et H2. On provoque ensuite la réaction du CO avec de la vapeur pour produire du CO2, ce qui permet de séparer celui-ci et de générer de l’énergie grâce à la combustion du H2. Ce procédé a l’avantage d’entraîner des concentrations élevées de CO2 dans le flux de fumée, tout en permettant la production d’un combustible exempt de carbone (H2). L’oxycombustion est la troisième option possible. Ce procédé est semblable à celui de la postcombustion hormis le fait qu’il brûle le carburant avec de l’oxygène pur, ce qui accroît la concentration de CO2 dans les gaz de combustion et empêche la présence des composants NOx et SOx dans le flux de fumée. Ce procédé présente cependant l’inconvénient de nécessiter une quantité importante d’énergie pour générer de l’oxygène pur. Chacune de ces technologies de captage peut être associée à plusieurs méthodes de séparation, notamment l’absorption, l’adsorption, la séparation membranaire, les boucles chimiques, la distillation cryogénique et la séparation par formation sélective d’hydrates (Ghiat et Al-Ansari, 2021).

Figure 12.1 – Les différents procédés de captage du CO2 #

Source : IPCC 2005

En ce qui concerne la troisième grande distinction, soit celle qui a trait au stockage ou à l’utilisation du CO2 capté, toutes les trajectoires offrent, en théorie, la possibilité de stocker ou d’utiliser le CO2 capté, ou encore de faire les deux. Dans la pratique, les préférences sont souvent liées à des facteurs économiques qui font que l’on privilégie l’utilisation du CO2 dans la mesure du possible. Les options qui ne comprennent que le stockage sont surtout utilisées dans les formations salines profondes ou dans des réservoirs de pétrole et de gaz qui sont épuisés. Il existe diverses possibilités d’utilisation, dont l’utilisation directe (par exemple, l’utilisation du CO2 comme réfrigérant pour améliorer l’efficacité énergétique), la conversion chimique (par exemple, en carburants ou en engrais), la conversion biologique (par exemple, par les microalgues en composés de carbone) et la carbonatation minérale (par exemple, pour produire des blocs de carbonate qui peuvent être utilisés pour remplacer le ciment dans l’industrie de la construction). Enfin, la récupération assistée du pétrole et la récupération du méthane de houille, deux méthodes qui utilisent du CO2 pour faciliter le processus d’extraction, constituent des options qui combinent les fonctions d’utilisation et de stockage, car le CO2 reste stocké dans les formations géologiques après son utilisation.  


Notes

1 Par exemple, voir : IPCC, 2005; Royal Society and Royal Academy of Engineering, 2018; Global CCS Institute, 2016; Global CCS Institute, 2020; Vega et al., 2020; Pilorgé et al., 2020.

2 Bien que nous ayons précisé ci-dessus la distinction qui existe entre le CSC, le CUC et le CUSC, nous utiliserons l’acronyme CSC comme terme général tout au long de ce chapitre par souci de simplification, car le stockage du carbone joue un rôle central pour atteindre la carboneutralité.  

3 Par exemple, voir : Keith, D.W. et al., 2018