Vous êtes ici
Le CO₂, déchet à capter ou ressource à transformer ?
Jusqu’ici, le dioxyde de carbone (CO2) a surtout été considéré, à juste titre, comme un déchet dont il fallait limiter les émissions, responsables de la majeure partie du réchauffement climatique actuel. Le captage, le stockage et la valorisation du CO2 (ou CCUS, pour « Carbon capture, utilization and storage » – lire en bas de page) ouvrent une autre perspective.
La démarche n’a pas pour but de remplacer les – nécessaires – efforts de décarbonation. Il s’agit de traiter les émissions particulièrement difficiles à éviter (comme c’est le cas pour la production d’acier, de ciment ou d’électricité « à la demande »), voire de faire du CO2 une matière première exploitable.
Depuis une vingtaine d’années, des chercheurs travaillent sur les divers maillons de cette chaîne. Mais les verrous ne sont pas seulement scientifiques : infrastructures, coût de l’énergie, réglementation et chemin d’adoption conditionnent aussi son passage à l’échelle. Afin d’évaluer la portée des recherches sur le sujet mené dans ses laboratoires, le CNRS a confié à sa mission Impact la réalisation d’une étude dressant leur impact sur la société, et ce dans différentes dimensions : économique, politique et réglementaire, environnementale, sociale, culturelle et sanitaire.
Le recours au captage et au stockage du CO2 n’est pas une idée récente. Dès les années 2000, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (Giec) intègre le CCS (Carbon capture and storage, soit « captage et stockage du carbone ») dans ses travaux sur les trajectoires de réduction des émissions. En 2005, il lui consacre même un rapport spécial, qui examine l’ensemble de la chaîne1. Dans les scénarios de décarbonation, le CCS apparaît alors comme l’un des leviers permettant de réduire les émissions de secteurs industriels difficiles à décarboner.
Traiter les émissions inévitables
Le CCUS s’inscrit dans une stratégie plus large de décarbonation. Dans le cadre du PEPR Spleen2, Fabrice Lemoine3, professeur en énergétique à l’université de Lorraine, distingue plusieurs fronts de recherche, à commencer par la décarbonation des intrants énergétiques de l’industrie.
« Une grande partie de l’énergie consommée sert à produire de la chaleur, encore largement issue de combustibles fossiles, observe-t-il. Mais remplacer ces combustibles ne suffit pas toujours. Certaines émissions sont directement liées aux procédés industriels. Quand on fait de l’acier, on émet beaucoup de CO2. Encore plus quand on fait du ciment, car le fait de calciner du carbonate de calcium dégage intrinsèquement du CO2. »
C’est sur ces émissions industrielles que le captage peut intervenir. Le premier maillon consiste à isoler le CO2 du flux gazeux qui sort d’une installation industrielle. Il existe déjà des techniques à base de solvants, mais certaines des substances utilisées posent des problèmes environnementaux. Et la régénération de ces solvants (la restitution du CO2 ainsi fixé) est elle-même très énergivore. « L’un des enjeux, c’est de baisser cette pénalité énergétique » explique Fabrice Lemoine. Des recherches sont actuellement menées sur des réacteurs plus compacts, des unités modulaires pouvant être adaptées au flux de CO2 et des matériaux innovants permettant de séparer le CO2 du flux de gaz.
Des matériaux pour piéger le CO2
La composition hétérogène des fumées de combustion complique le problème. Une combustion à l’air libre produit un mélange de gaz et de corps volatils qu’il faut séparer du CO2. Les chercheurs explorent donc de nouveaux matériaux capables de se lier sélectivement au gaz carbonique.
Les équipes de David Farrusseng et de Christian Serre4 explorent la piste des MOFs (Metal-Organic Frameworks, appelés en français « polymères de coordination poreux »). Ces matériaux constitués de nœuds métalliques reliés par des molécules organiques forment des réseaux extrêmement poreux capables de retenir préférentiellement certaines molécules. Les chercheurs tentent d’en ajuster la taille et la chimie afin d’en faire des « éponges à CO2 », à la fois sélectives, régénérables et peu énergivores. Mais leur performance doit maintenant être conciliée avec des contraintes industrielles : coût, disponibilité, durabilité et fabrication à grande échelle.
Une autre stratégie consiste à modifier la combustion elle-même : l’oxycombustion. « Plutôt que d’avoir une séparation du CO2 en aval qui coûte assez cher, explique Fabrice Lemoine, on va essayer d’avoir des flux de CO2 plus purs en utilisant une combustion à l’oxygène pur. »
Des maillons interdépendants
Capter le CO2 ne constitue qu’une première étape. Il faut ensuite le conditionner, le transporter, puis soit le stocker, soit le valoriser. Les acteurs de cette chaîne sont multiples.
« L’industriel émetteur n’est pas celui qui fait forcément le captage, le transport, la liquéfaction, le stockage ou la valorisation, rappelle Catherine Dargemont, responsable de la mission Impact du CNRS5. Il faut donc créer des consortiums, ce qui s’avère complexe parce que chacun des acteurs a ses propres intérêts, ses propres risques et ses propres investissements. »
Cette interdépendance constitue un verrou industriel majeur. Une usine peut être équipée d’une unité de captage sans solution de transport. Mais une canalisation ne peut être rentable que si elle dispose de volumes suffisants de CO2. Cette organisation en briques explique aussi la fragmentation de la recherche.
Stocker en profondeur
Parmi les solutions envisagées, on compte sur le stockage géologique. Celui-ci consiste à injecter le CO2 dans des formations profondes capables de le retenir durablement. Les recherches portent notamment sur la modélisation des réservoirs, la géochimie, les interactions entre CO2, fluides et roches, et sur la surveillance.
Un projet pilote mené à Rousse (Pyrénées-Atlantiques) a notamment permis d’étudier le devenir du CO2 injecté et de ses interactions avec le milieu géologique. Le stockage offshore constitue une autre possibilité, notamment dans d’anciens gisements d’hydrocarbures en mer du Nord ou en Méditerranée.
Mais le principal verrou est dû à l’absence de cadre sociotechnique. Le stockage géologique soulève notamment des interrogations sur les risques et la surveillance du sous-sol. En France, les connaissances sur le sous-sol et les possibilités de stockage sont ainsi progressivement approfondies.
« Si on veut faire du stockage à terre, il faut vérifier que ça ne fuit pas, explique Fabrice Lemoine. Et ça requiert de la transparence sur les données, d’avoir des plateformes de visualisation partagées avec la population et les décideurs. »
Transformer le CO2 en ressource
Le « U » de CCUS ouvre une autre possibilité : transformer le CO2 en une ressource exploitable, comme savent le faire les plantes. Mais la difficulté fondamentale est que « le CO2 est un gaz chimiquement trés stable. Si on veut le transformer en quelque chose, il faut apporter beaucoup d’énergie, relève Fabrice Lemoine. L'objectif est de transformer ce carbone pour obtenir des chaînes carbonées "utiles" telles que des hydrocarbures, du méthanol, de l’éthanol ou de l’éthylène. »
Les équipes de Marc Fontecave et Marc Robert explorent notamment l’électrocatalyse et la réduction du CO2. « Si on réussit à transformer le carbone en des molécules utiles avec une valeur économique intrinsèque, ça change la donne », remarque Jacques Maddaluno6. Car, derrière la question technologique, se joue aussi celle du modèle économique : « Si on veut, à terme, que tout cela devienne un jour viable, il va falloir trouver une solution pour que le CO2 rapporte quelque chose. S’il s’agit juste de stocker, ce n’est qu’une source de coûts. »
Compétitivité et débouchés
Toutefois, même mature, une filière de valorisation du CO2 ne contribuera que très marginalement à la lutte contre le changement climatique. « On ne décarbone pas la chimie, on la défossilise, pointe Fabrice Lemoine. L’industrie chimique aura toujours besoin de carbone pour fabriquer des molécules. Une partie pourrait provenir du CO2 plutôt que du pétrole ou du gaz. Les quantités susceptibles d’être valorisées resteront cependant très inférieures aux volumes émis chaque année. »
La transformation du CO2 en molécules plus complexes nécessite souvent de l’hydrogène. Or produire de l’hydrogène bas carbone par électrolyse demande beaucoup d’électricité et d’eau. Sans hydrogène disponible à un coût compétitif pour l’industrie, de nombreuses voies de valorisation demeurent difficiles à développer. Et sans débouchés industriels, les investissements dans l’hydrogène sont eux-mêmes difficiles à justifier.
Intégrer toute la chaîne
La France dispose de compétences scientifiques dans les principaux domaines du CCUS : matériaux, séparation, catalyse, électrochimie, géologie, modélisation, ingénierie et sciences humaines et sociales. Mais ces compétences sont dispersées dans des communautés qui ont longtemps travaillé séparément.
Aujourd’hui, le PEPR Spleen contribue à rapprocher ces recherches autour de la décarbonation industrielle. Et le PEPR Sous-sol bien commun travaille sur les usages du sous-sol et les conditions de leur développement, notamment pour le stockage du CO2.
Si plusieurs techniques du CCUS sont anciennes, leur passage à l’échelle industrielle nécessiterait d’intégrer toute la chaîne : captage, transport, stockage ou utilisation. Ce qui implique avant tout des investissements importants et un cadre économique stable.
Cela exige ensuite « de créer toute la chaîne de valeur industrielle en restant très vigilant sur un point, avertit Fabrice Lemoine. Il faut transformer toutes les recherches que l’on fait en offre technologique au niveau européen. Sinon, d’autres le feront à notre place. »
Choix politiques
Une telle transformation impliquerait également de former des chercheurs, ingénieurs, techniciens et professionnels capables de concevoir, exploiter et surveiller les installations. Mais cette montée en compétences n’aura pas lieu sans débouchés industriels…
Le développement du CCUS dépend donc de choix politiques. En effet, il oblige les entreprises à engager des investissements lourds sur plusieurs décennies. Or les prix du carbone et de l’énergie ainsi que les mécanismes de soutien peuvent évoluer rapidement.
Catherine Dargemont observe une forme de « stop and go » dans la mise en œuvre des feuilles de routes industrielles, en raison des aléas politiques : « Des entreprises avaient engagé des trajectoires vers la neutralité carbone, avant de ralentir certains projets lorsque le contexte économique ou politique s’est dégradé ».
Pour un débat public global
Pour le stockage, l’acceptabilité constitue un autre enjeu majeur. « Pour qu’il y ait un tel cadre, il faut que les politiques s’en emparent », affirme Fabrice Lemoine. « Il est temps qu’il y ait un débat public global », appuie Catherine Dargemont.
Stocker du CO2 dans le sous-sol ou construire des canalisations traversant des territoires ne relève pas de simples décisions techniques. Les populations doivent pouvoir comprendre les objectifs, les risques et les alternatives.
C’est précisément le passage de la recherche à la société que Catherine Dargemont étudie au sein de la mission Impact. Son approche suit le chemin qui relie les moyens engagés par les laboratoires aux effets produits dans la société : ressources humaines et financières, résultats scientifiques, puis appropriation de ces résultats par des entreprises ou des institutions.
Dans le cas du CCUS, les compétences scientifiques existent ; des brevets sont déposés ; des démonstrateurs apparaissent ; et certaines start-up cherchent à transformer les résultats de la recherche en procédés industriels rentables. Mais l’absence d’une filière industrielle complète limite encore les retombées économiques. Le défi consiste donc à faire fonctionner ensemble des technologies, des industries, des territoires et des choix collectifs.
______________________________________________________________________
CCS, CCU, CCUS : de quoi parle-t-on ?
• CCS (Carbon capture and storage, soit « captage et stockage du carbone ») : désigne le captage du CO2 émis par une activité industrielle, puis son transport et son stockage durable, en général dans des formations géologiques profondes. Le CO2 n’est alors pas réutilisé.
• CCU (Carbon capture and utilization, soit « captage et valorisation du carbone ») : consiste à capter le CO2 pour le transformer ou l’utiliser comme matière première – par exemple, pour produire des carburants de synthèse, des molécules chimiques ou certains matériaux.
• CCUS (Carbon capture, utilization and storage) : regroupe CCS et CCU. Le captage constitue le premier maillon commun. Le CO2 peut ensuite être stocké ou valorisé selon son origine, les technologies disponibles et les conditions économiques.
Consultez aussi
Réchauffement : peut-on réduire le CO2 océanique ?
Énergies : le mythe de la transition
Comment la technologie peut-elle contribuer à limiter le changement climatique ?
- 1. Voir : https://tinyurl.com/ccs-giec
- 2. Programme et équipements prioritaires de recherche « Soutenir l’innovation pour développer de nouveaux procédés industriels largement décarbonés » est un programme de recherche français lancé dans le cadre de France 2030 et piloté conjointement par le CNRS et l’IFP Énergies nouvelles : https://www.pepr-spleen.fr
- 3. Fabrice Lemoine est professeur à l’université de Lorraine, chercheur au Laboratoire énergies & mécanique théorique et appliquée (Lemta, unité CNRS/Université de Lorraine) et codirecteur du PEPR Spleen.
- 4. David Farrusseng est directeur de recherche CNRS à l’Institut de recherches sur la catalyse et l’environnement de Lyon (IrceLyon, CNRS/Université Lyon 1 Claude Bernard). Christian Serre est directeur de recherche CNRS à l’Institut des Matériaux Poreux de Paris (Imap, CNRS/ENS-PSL/ESPCI Paris-PSL).
- 5. La mission Impact, créée en 2025, a pour ambition de qualifier et d’analyser ces retombées sociétales dans toutes leurs dimensions – sociales, culturelles, environnementales, sanitaires, économiques et politiques – afin d’éclairer, entre autres, les décideurs publics et le débat citoyen : https://www.cnrs.fr/fr/nos-defis/impact-societal-de-la-recherche
- 6. Jacques Maddaluno est directeur de recherche émérite au CNRS, au Laboratoire d’archéologie moléculaire et structurale (Lams, unité CNRS/Sorbonne Université).
Voir aussi
Auteur
Spécialisé dans les thématiques liées aux religions, à la spiritualité et à l’histoire, Matthieu Sricot collabore à différents médias, dont Le Monde des Religions, La Vie, Sciences Humaines ou encore l’Inrees.