« Le CO2 ? Une ressource à valoriser », selon Marc Fontecave, professeur au Collège de France

La réduction des émissions de CO2 cristallise les efforts pour lutter contre le réchauffement climatique. Mais le CO2 ne doit pas être seulement vu comme un déchet, mais aussi comme une ressource à valoriser. Celle-ci peut même nous aider à réussir notre transition énergétique, a avancé Marc Fontecave, professeur au collège de France, spécialiste en chimie des processus biologiques, au cours d'une conférence à l'académie des sciences.

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« Le CO2 ? Une ressource à valoriser », selon Marc Fontecave, professeur au Collège de France

La 21 ème conférence des parties sur le réchauffement climatique, qui se tiendra fin 2015 à Paris, approche. Le CO2 est au centre des discussions. Cette molécule très stable participe naturellement à l’effet de serre. Il représente 400 ppm (particules par millions) dans l’atmosphère, soit environ 3000 gigatonnes. 360 Gigatonnes de CO2 par an circulent naturellement dans l’atmosphère, rejetées par les organismes vivants et retransformées en biomasse par la photosynthèse. Mais depuis le début de l’ère industrielle, une quantité importante de CO2 est également rejetée par les activités humaines. Ces émissions de CO2 dites « anthropiques » atteignent en 2013 près de 30 gigatonnes, et viennent augmenter l’effet de serre de l’atmosphère. Avec lui, la température augmente et perturbe l’équilibre de la planète.

D’où les discussions actives pour réduire les émissions de CO2 anthropiques. Mais celui-ci peut aussi être valorisé, a rappelé lors d'une conférence Marc Fontecave, professeur du collège de France spécialisé en chimie des processus biologiques. « Le CO2 est une source de carbone et peut être au centre d'une stratégie pour stocker les énergies renouvelables, » a-t-il exposé. « Le sujet est très amont, déjà utilisé dans l’industrie mais encore de manière très faible. Il y a cependant un renouveau dans la valorisation du CO2 et de plus en plus d’investissements dans le sujet. » C’est le cas notamment aux Etats-Unis, a souligné Marc Fontecave. Le ministère de l'énergie y accorde moins d’importance à l’hydrogène, et intensifie ses recherches sur le CO2.

Premier défi : capter le CO2

Avant d’envisager de valoriser le CO2, il faut le capter. « Pour l’instant ça ne fonctionne pas », note Marc Fontecave, lapidaire. « Avant tout, il faut aller vers les sources les plus importantes. » et contrairement à une idée répandue, ce n’est pas l’industrie, qui avec 3 gigatonnes par an, est à l'origine de seulement 10% des rejets de co2. Ensuite, « il faut continuer à chercher des méthodes efficaces. La méthode la plus utilisée aujourd’hui est une méthode chimique de fixation du CO2 avec des amines, bien maîtrisée, qui forme ensuite des carbonates. La transformation inverse, car ce n’est pas de carbonates que l’on veut mais du CO2, est cependant plus complexe, demande beaucoup d’énergie et plus coûteuse. »

La possibilité de séquestrer le CO2 est aussi étudiée, et les lieux possibles recensés : gisements d’hydrocarbures (potentiel de séquestration de 930 tonnes de CO2), aquifères salins profonds (potentiel de 400 à 10 000 Gt) et veines de charbon non exploitées (40 Gt) sont les principales, mais représentent encore des quantités faibles devant les 20 000 gigatonnes de réserves fossiles qui restent à exploiter. 13 installations sont en fonctionnement dans le monde, dont 9 aux Etats-Unis et au Canada. Il n’en existe pas en Europe, Total ayant fermé la dernière, à Lacq, en 2014.

Second défi : transformer les CO2 en molécule d’intérêt

« Il vaut bien mieux valoriser le CO2 en molécules d’intérêt que chercher à le séquestrer. Je n’imagine pas un monde autreement que carboné, et nous ne pouvons pas penser aujourd’hui nous en passer. Il faut valoriser la molécule de carbone du CO2. »

Première voie : utiliser la photosynthèse naturelle des plantes pour produire des biocarburants. Lors de la photosynthèse, les plantes absorbent naturellement le CO2 présent dans l’air pour se développer. Elles peuvent être ensuite exploitées notamment pour faire des biocarburants. Ceux de première génération ne sont plus une perspective sérieuse aujourd’hui en raison de leur compétition avec la production alimentaire, leurs coûts environnementaux, et leurs impacts sur la diminution de l’effet de serre très nuancés. Les biocarburants de seconde génération sont produits à partir de plantes non comestibles, mais leurs sucres riches en énergie sont plus complexes à extraire et nécessitent des recherches en utilisant des procédés chimiques, bioenzymatiques, ou encore biotechnologiques. Enfin, les biocarburants de troisième génération sont produits à partir des microorganismes photosynthétiques comme les algues, ou les cyanobactéries. Elles permettent naturellement la moitié de la fixation du CO2 sur la terre. Des fermes exploitant des micro-algues pour produire des huiles sont en développement.

Deuxième voie : utiliser le CO2 dans l’industrie chimique : C’est déjà le cas aujourd’hui pour de petites quantités, la production d’urée étant aujourd’hui la production la plus consommatrice en CO2. La valorisation de CO2 peut servir pour la production de polymères ou pour la chimie fine. Le CO2 pourrait ainsi être transformé en éthylène ou en propylène, mais aussi en monoxyde de carbone. Ce dernier peut à son tour servir à produire du méthanol, des hydrocarbures ou encore des oléfines, en utilisant la combinaison Fischer-Tropsch. Le stockage de l’hydrogène sous forme d’acide formique présente des avantages logistiques face au stockage gazeux de l’hydrogène, et nécessite pour cela du CO2. L’hydrogénation du CO2 en méthanol, toujours en utilisant de l’hydrogène, suscite aussi un fort engouement, mais dans les deux cas, cela nécessite des métaux nobles. Dans tous les cas, la molécule de CO2 étant très stable, elle nécessite que soient trouvés des catalyseurs métalliques efficaces qui permettent de la réduire. Ces catalyseurs n’utilisent pas de métaux nobles dans l’idéal mais peuvent comprendre du fer, du cobalt, du nickel, ou encore du manganèse. Parmi toutes ces solutions de synthèse chimique à partir du CO2, la synthèse de polymères est la plus avancée et devrait permettre d’ici quelques années l’émergence d’une industrie des polymères produits à partir du CO2. L’hydrogénation du CO2 est en revanche moins avancée, et l’électrochimie ou la photochimie encore moins avancée. « Le rêve, avance Marc Fontecave, serait un panneau photovoltaïque couplé à une sorte d’électrolyseur, qui permette à partir de l’électrictié solaire et d’un mélange H2O-CO2 de produire de l’oxygène et le produit désiré, comme des hydrocarbures. »

Troisième voie : utiliser le CO2 pour stocker ou transformer l’électricité renouvelable :

Tandis que la France s’oriente vers une part de plus en plus importante d'énergies renouvelables dans son mix énergétique, les capacités de stockage qui permettent la bonne gestion de cette énergie intermittente doivent être développées en conséquence. Les capacités hydroélectriques (principalement les barrages) sont trop peu importantes aujourd’hui pour pouvoir stocker cette quantité d’énergie : il faut développer les batteries ou le stockage chimique. Parmi les solutions de stockage chimique, il y a le stockage de l’électricité sous forme d’hydrogène par électrolyse de l’eau. Il est aussi possible grâce à cette électricité renouvelable de convertir le CO2 en molécules riches en énergie, tels que les hydrocarbures.

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