Captage et utilisation du carbone

Les acronymes sont souvent utilisés de manière interchangeable dans la communication publique, parfois par des personnes qui devraient mieux savoir. Ce sont deux industries différentes, avec des économies différentes, des échelles de temps différentes, une comptabilité climatique différente et des clients commerciaux différents. Les confondre crée une réelle confusion dans les discussions techniques et politiques.

Le CCS, Captage et Stockage du Carbone, capte le CO₂ d'une source et l'injecte de façon permanente sous terre. Les réservoirs de pétrole et de gaz épuisés, les aquifères salins profonds et les formations basaltiques sont les principaux milieux de stockage. Une fois injecté, le CO₂ quitte le cycle actif du carbone. La durée visée est géologique : des milliers d'années, idéalement permanente. L'objectif est l'atténuation climatique par une séquestration à long terme. Le client commercial est typiquement l'émetteur, qui paie pour éliminer un CO₂ qui autrement rejoindrait l'atmosphère ou serait soumis à un prix du carbone.

Le CCU, Captage et Utilisation du Carbone, capte le CO₂ et le convertit en produits utiles. Le carbone reste, dans la plupart des cas, dans le cycle actif du carbone. L'objectif varie. Parfois, le but est l'atténuation climatique, lorsque le produit enferme le carbone sur des échelles de temps longues. Parfois, le but est la substitution de matière première, en remplaçant le CO₂ d'origine fossile dans des procédés chimiques existants par du CO₂ capté d'origine biogénique ou industrielle. Parfois, c'est les deux. Le client commercial est typiquement l'utilisateur du produit aval, l'acheteur du carburant, du produit chimique ou du matériau de construction.

La même technologie de captage sert souvent les deux voies. La bifurcation intervient après le captage du CO₂ : il peut être injecté (CCS) ou converti (CCU). L'étape de captage est l'ingénierie la plus mature. L'étape d'utilisation est celle où se concentrent la majeure partie de l'innovation actuelle, et la majeure partie de la comptabilité climatique contestée.

Cette page traite du U dans CCU. Le CCS est mentionné là où c'est pertinent pour le contexte, mais la discussion de fond porte sur ce qui arrive au CO₂ capté une fois que l'on a décidé de l'utiliser plutôt que de le stocker. Les deux voies sont de plus en plus présentées comme des alternatives par les politiques climatiques et les développeurs de projets. La question de savoir si elles en sont réellement, ou si elles jouent des rôles différents dans une économie en décarbonation, est l'une des questions ouvertes véritablement intéressantes dans ce domaine.

Le CO₂ destiné à l'utilisation provient de trois catégories principales de sources, chacune avec des concentrations, des coûts et une comptabilité climatique différents.

Sources ponctuelles industrielles. De nombreux procédés industriels produisent des flux de CO₂ concentrés comme sous-produit de leur fonctionnement normal. La concentration varie fortement. Les usines d'ammoniac rejettent un CO₂ quasiment pur issu de l'étape de vaporeformage du méthane. La fermentation de l'éthanol, la valorisation du biogaz et les procédés biologiques similaires rejettent du CO₂ à une pureté proche de 100 %. Les fours à ciment rejettent du CO₂ à une concentration de 15 à 30 %, mélangé aux gaz de combustion. Les aciéries rejettent du CO₂ à 15 à 25 %. Les centrales au charbon se situent autour de 10 à 15 %. Les centrales au gaz naturel sont autour de 4 à 10 %, les plus diluées parmi les principales sources industrielles.

Une concentration plus élevée signifie un captage moins cher. Les flux purs issus de l'ammoniac et de la fermentation peuvent être captés pour 20 à 50 € par tonne. Les flux du ciment et de l'acier coûtent 40 à 90 €. Les fumées de centrales électriques coûtent 60 à 150 €. Le choix de la technologie de captage varie aussi avec la concentration. L'absorption aux amines domine pour les flux de concentration faible à moyenne. Les sorbants solides émergent comme alternatives à moindre besoin énergétique. Les membranes fonctionnent bien à des concentrations plus élevées. Le calcium looping émerge spécifiquement pour les applications cimentières. La combustion oxy-fuel produit un flux de CO₂ pur en alimentant le foyer avec de l'oxygène plutôt que de l'air, mais elle nécessite une intégration à l'échelle de l'installation qui se fait mieux sur des sites neufs.

CO₂ biogénique. Les mêmes technologies de captage, appliquées à des sources biologiques. Le CO₂ provient de l'atmosphère via la photosynthèse végétale au cours de cycles biologiques récents, donc son utilisation n'ajoute pas de carbone fossile net dans l'atmosphère. L'économie est similaire au captage industriel sur source ponctuelle, souvent meilleure car les flux biologiques sont typiquement très concentrés. La contrainte est l'approvisionnement. Le CO₂ biogénique concentré total disponible dans le monde est de l'ordre de quelques centaines de millions de tonnes par an, face à une demande à l'échelle de la gigatonne dans des scénarios de décarbonation ambitieux.

Captage direct dans l'air (DAC). Capter le CO₂ directement dans l'air ambiant à environ 420 parties par million en 2025. Deux grandes familles technologiques dominent. Le DAC à solvant liquide (Carbon Engineering, 1PointFive) utilise des solutions d'hydroxyde pour absorber le CO₂, puis régénère le solvant avec de la chaleur à haute température. Le DAC à sorbant solide (Climeworks, Heirloom, Carbon Capture, autres) utilise des matériaux solides fonctionnalisés aux amines, régénérés à température modérée. Le DAC électrochimique émerge comme une troisième famille mais est plus en amont sur la courbe de maturité.

Les coûts en 2025 se situent entre 400 et 1 000 € par tonne pour les installations opérationnelles actuelles, avec des projections crédibles de 200 à 400 € par tonne d'ici 2030 et de 100 à 200 € par tonne plus tard dans la décennie si une montée en puissance substantielle se concrétise. Le DAC est la seule voie de captage qui ne dépend pas d'une source concentrée, ce qui lui confère une flexibilité géographique et un caractère indéniablement bénéfique pour le climat. Il est aussi actuellement cinq à quinze fois plus cher que le captage sur source ponctuelle.

Le choix de la source de carbone est l'une des décisions les plus déterminantes dans un projet CCU. Le CO₂ de source ponctuelle issu d'un émetteur fossile, utilisé pour fabriquer des e-fuels, relève techniquement du CCU mais offre un bénéfice climatique net limité car l'émetteur fossile continue son activité. Le CO₂ biogénique est véritablement circulaire. Le DAC est véritablement additionnel. Les écarts de coût entre ces sources, et les cadres réglementaires qui les traitent différemment (le RED III restreint progressivement le CO₂ fossile de source ponctuelle en tant que matière première RFNBO jusqu'en 2041), font que le choix de la source de carbone est rarement une simple décision d'ingénierie. C'est une décision stratégique et politique aux implications d'ingénierie.

C'est la section la plus importante, et c'est celle que les documents marketing de l'industrie du CCU contournent le plus souvent.

La vérité comptable climatique fondamentale : la valeur du captage d'une tonne de CO₂ dépend du temps pendant lequel cette tonne reste ensuite hors de l'atmosphère. Si le CO₂ est relâché en quelques semaines, la valeur climatique est minime. S'il reste enfermé pendant des siècles, la valeur climatique est réelle. Les voies CCU couvrent tout l'éventail entre ces deux extrêmes, et les écarts sont considérables.

Le spectre de la permanence, du plus court au plus long :

Heures à jours. Carbonatation des boissons, où le CO₂ est relâché dès l'ouverture de la canette ou de la bouteille. Enrichissement des serres, où la majeure partie du CO₂ est relâchée par la respiration des plantes et la ventilation en quelques jours. Certains usages industriels à cycles courts.

Jours à mois. La plupart des carburants. L'e-diesel et l'e-kérosène relâchent leur carbone lors de la combustion, qui a lieu quelques jours à semaines après la production du carburant. L'e-méthanol consommé comme carburant, de même. La valeur climatique de ces voies réside dans le déplacement des alternatives fossiles, pas dans le stockage du carbone. Elles sont utiles pour décarboner l'aviation et le transport maritime car aucune meilleure option n'existe, mais ce n'est pas de la séquestration.

Mois à quelques années. L'urée fertilisante relâche son CO₂ en quelques mois après épandage au sol par hydrolyse. Les intermédiaires chimiques à courte durée de vie, produits, consommés et métabolisés rapidement. Les plastiques à usage unique qui entrent en combustion ou biodégradation.

Années à décennies. De nombreux plastiques durables, selon leur fin de vie. Vitrages en polycarbonate, isolation en polyuréthane, plastiques structurels dans les bâtiments et véhicules. Le carbone reste en service pour la durée de vie du produit, puis entre dans les flux de déchets où son sort dépend des pratiques d'élimination.

Décennies à siècles. Polymères et matériaux dans des applications à longue durée de vie qui n'entrent pas en combustion (certains polymères de construction, composites longue durée). Éléments structurels en fibre de carbone.

Siècles à millénaires. Carbonates minéralisés, dans le béton et les granulats. Le CO₂ dans le CaCO₃ et le MgCO₃ est thermodynamiquement extrêmement stable. La réaction est la même que celle qui enferme le CO₂ dans le calcaire sur des échelles de temps géologiques, accélérée industriellement. Les minéraux liés au carbone durent aussi longtemps que la roche dont ils font partie, ce qui est de l'ordre du géologique.

Permanence géologique. C'est l'échelle de temps du CCS (injection en aquifère salin profond, minéralisation in situ dans le basalte), pas du CCU à proprement parler. Bien que l'altération accélérée des roches, où des minéraux réactifs broyés sont épandus sur des terres agricoles ou des zones côtières pour réagir avec le CO₂ atmosphérique sur des années à décennies, soit parfois classée comme une voie adjacente au CCU.

Pour la comptabilité climatique, la plupart des cadres (le GIEC, la Commission européenne, le marché volontaire du carbone) tracent une ligne quelque part entre la bande années-à-décennies et la bande décennies-à-siècles. En dessous de cette ligne, le bénéfice climatique est traité comme marginal ou comme un déplacement plutôt qu'une séquestration. Au-dessus, le stockage du carbone est considéré comme suffisamment durable pour compter réellement contre les émissions.

Cela crée un cadre utile pour tout projet CCU : ce projet fait-il quelque chose qui maintiendra réellement le carbone hors de l'atmosphère pendant une durée climatiquement significative, ou fait-il principalement du déplacement de carburant fossile ? Les deux peuvent être des objectifs légitimes. Ce ne sont pas le même objectif. Un projet qui les confond, ou qui commercialise du CCU à permanence courte comme s'il s'agissait d'une séquestration permanente, induit en erreur ses clients, ses investisseurs, et finalement les cadres de comptabilité climatique qui finiront par rattraper leur retard.

La critique publique et académique du CCU comprend plusieurs arguments que toute page sérieuse sur le sujet doit traiter plutôt qu'esquiver. Ils méritent d'être pris au sérieux, même si l'on conclut finalement, comme le fait Ionect, que le CCU a un rôle légitime dans une économie en décarbonation.

La plupart du CCU ne séquestre pas de carbone. Il déplace soit des carburants fossiles (dans le cas des e-fuels), soit fait circuler temporairement le carbone à travers des produits avant de le relâcher. La valeur climatique de ces voies est réelle, mais c'est la valeur d'éviter des émissions ailleurs, pas de retirer des émissions déjà survenues. Confondre les deux est l'erreur rhétorique la plus courante dans l'industrie du CCU.

Le CCU peut justifier la poursuite d'une exploitation fossile. L'argument de la littérature critique est que le CCU sur un émetteur fossile, financé en partie par des crédits carbone ou de l'off-take RFNBO, peut fournir une couverture politique pour un retard dans la sortie des combustibles fossiles. L'émetteur continue d'émettre, mais reformule l'opération en «projet CCU» plutôt qu'en exploitation fossile non atténuée. C'est l'argument de l'aléa moral, et il est pris suffisamment au sérieux par les décideurs politiques pour que le RED III européen restreigne l'usage du CO₂ fossile de source ponctuelle pour la production de RFNBO après 2041.

L'efficacité énergétique est médiocre. Presque toutes les voies CCU nécessitent un apport énergétique substantiel, dont une grande partie apporterait davantage de décarbonation si elle était utilisée directement. Un mégawattheure d'électricité renouvelable utilisé dans une pompe à chaleur, ou pour charger un véhicule électrique à batterie, apporte plus de décarbonation en usage final que le même mégawattheure utilisé pour fabriquer un e-fuel via une chaîne CCU à plusieurs étapes. Cet argument n'invalide pas le CCU, mais il plaide pour une discipline quant aux endroits où le déployer.

Le potentiel d'échelle est borné. Même les scénarios les plus ambitieux pour le CCU en 2050 captent et utilisent de l'ordre d'une à deux gigatonnes de CO₂ par an. Les émissions mondiales actuelles sont d'environ 40 gigatonnes par an. Le CCU est un outil, pas une solution. Le traiter comme une solution risque de substituer une forme de dépendance à une autre.

La comptabilité carbone est contestée. La comptabilité des gaz à effet de serre sur le cycle de vie des voies CCU est véritablement complexe. Différents cadres comptables aboutissent à des conclusions différentes. Certains produits qui revendiquent un bénéfice climatique sous un cadre ne le délivrent pas sous un autre. Le marché volontaire du carbone traverse actuellement une crise de crédibilité alimentée en partie par des revendications exagérées de projets de compensation, et les revendications CCU sont soumises au même examen minutieux.

La réponse honnête à ces critiques, telle que la voit Ionect, est à peu près la suivante. Le CCU est véritablement utile là où il sert des applications qui ne peuvent être décarbonées autrement (les carburants pour l'aviation et le transport maritime au long cours en sont les exemples phares), là où il remplace des matières premières d'origine fossile dans des industries qui continueront d'avoir besoin de produits contenant du carbone (ammoniac, méthanol, polymères), ou là où il enferme durablement le carbone dans des matériaux que le monde va continuer de construire (le béton et les matériaux de construction en tête de liste). Le CCU est surestimé lorsqu'il est commercialisé comme neutre en carbone alors qu'il s'agit en réalité de recyclage de carbone à courte permanence, lorsqu'il est déployé dans des applications qui pourraient être directement électrifiées, ou lorsqu'il sert à prolonger la durée de vie opérationnelle d'émetteurs fossiles qui devraient sortir progressivement du marché. Le cadre qui sert bien les projets et le climat consiste à demander, pour tout projet CCU : fait-il quelque chose qui doit véritablement être fait, et le fait-il d'une manière réellement utile pour le climat ? Les deux questions nécessitent une réponse positive. De nombreux projets annoncés ne répondent qu'à l'une des deux.