Puits de carbone
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Au sens large, un puits de carbone ou puits CO2 est un réservoir, naturel, ou artificiel de carbone dont la taille augmente constamment, à l'inverse d'une source de carbone. Les principaux puits étaient les processus biologiques de production de charbon, pétrole, gaz naturels et hydrates de méthane et roches calcaires. Ce sont aujourdh'ui les océans et certains milieux végétalisés (forêt tempérée essentiellement).
La séquestration du carbone (ou piégeage, ou emprisonnement du carbone) désigne les processus extrayant le carbone ou le CO2 de la biosphère et le stockant dans un puits de carbone. La photosynthèse est le principal mécanisme de séquestration du carbone. Les bactéries photosynthétiques, les plantes et la chaine alimentaire ainsi que la nécromasse qui en dépendent sont considérées comme des puits de carbone pour la partie « piégée » du carbone.
Le concept de puits de carbone s'est diffusé avec le Protocole de Kyōto créé dans le but de réduire les concentrations élevées et croissantes de CO2 atmosphériques et ainsi lutter contre le réchauffement climatique. Diverses voies sont explorées pour améliorer la séquestration naturelle du carbone, et développer des techniques (naturelles ou artificielles) de capture et stockage du carbone.
Un puits de carbone ne vise pas à réduire les émissions de CO2, mais à le piéger. Le stockage du CO2 peut même augmenter les émissions de CO2 car cette activité consommera inévitablement de l'énergie (qui produira du CO2) ; mais la quantité de CO2 nécessaire à cette activité sera moindre que celle emprisonnée, diminuant le bilan CO2 du cycle (le temps de son piégeage). La quantité de CO2 dans le cycle sera également augmentée.
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[modifier] Puits naturels
[modifier] Forêts
Les arbres sont après le plancton océanique et avec les tourbières le principal puits de carbone naturels planétaire, essentiels au cycle du carbone. Ils accumulent d'énormes quantités de carbone dans leur bois et dans l'écosystème via la photosynthèse. Ils absorbent le CO2 de l'atmosphère, stockant une partie du carbone prélevée et rejetant de l'oxygène dans l'atmosphère. Les essences pionnières, à croissance rapide (Ex : Peuplier, saule ou bouleau en zone tempérée, Bois-canon (creux, à la manière du bambou) en zone tropicale) n'absorbent généralement que peu de carbone et le relarguent vite et facilement. Les bois durs et denses sont ceux qui en contiennent le plus et pour le plus longtemps, mais ils croissent généralement bien plus lentement (siècles à millénaires pour les « gros bois ».. À maturité, l'absorption est moindre mais le carbone représente 20 % de leur poids (en moyenne, et jusqu'à 50 % et plus pour des bois denses tropicaux). Quand l'arbre meurt, il est décomposé par des bactéries, champignons et invertébrés, recyclant son carbone sous forme de biomasse, nécromasse (cadavres, excrétats et excréments de ces organismes) et sous forme de gaz (CO2, méthane, libérérés dans l'atmosphère ou l'eau). La forêt et d'autres écosystèmes continueront à stocker ou recycler ce carbone via une régénération naturelle. Seules les forêts tempérées accumulent le carbone, les forêts tropicales étant souvent à l'équilibre (source=puits)
Il arrive localement que les arbres morts, roseaux et plantes des marais se décomposent lentement et imparfaitement, en conditions anaérobies, sous la surface du marais, produisant des tourbes. Le mécanisme est suffisamment lent pour que dans la plupart des cas le marais grandisse assez vite et permette de fixer plus de carbone atmosphérique que ce qui est libéré par la décomposition. Un quart du carbone absorbé par les forêts l'est par les plantes et le sol.[1]
Les forêts peuvent parfois devenir des « sources » de CO2 (le contraire d'un puits de carbone), notamment en cas d'incendie, ou provisoirement après les grands chablis couchés par de fortes tempêtes ou après les grandes coupes rases.
[modifier] Océans
Les océans sont les principaux puits naturels de carbone, via le plancton et les coraux mais 50 % environ des coraux des eaux chaudes semblent malades ou morts ces dernières décennies, et lorsque le niveau de CO2 s'accroît au delà d'un seuil critique dans l'atmosphère, il augmente également l'acidité des eaux marines, créant potentiellement de désastreux océans acides tuant le plancton qui piégeait le carbone, et rendant l'océan plus acide encore. De plus des zones mortes s'étendent dans les océans, qui deviennent émettrices de carbone ou de méthane. Les mers contiennent une quantité variable de CO2 dissoute, fonction de la biomasse et de la nécromasse, de la disponibilité en nutriments, de la température et de la pression. Le phytoplancton marin, à l'instar des arbres, utilise la photosynthèse pour extraire le carbone du CO2. Il est le point de départ de la chaîne alimentaire océanique. Le plancton et d'autres organismes marins utilisent le CO2 dissous dans l'eau ou prélevé leur nourriture pour constituer leurs squelettes et coquilles à base de calcaire minéral, CaCO3.
Ce mécanisme élimine le CO2 contenu dans l'eau et favorise la dissolution de celui contenu dans l'atmosphère. Les squelettes et coquilles calcaires ainsi que le "carbone organique" (nécromasse, excréments) de ces organismes tombent finalement en une pluie continue dans les fonds marins où ils sédimentent pour lentement former des roches. Le carbone des cellules du plancton doit être immergé entre 2000 et 4000 mètres de profondeur pour être emprisonné pour plusieurs milliers à millions ou milliards d'années sous forme de roche, les sédiments superficiels étant pour partie brassés, remis en suspension et réutilisés comme nutriments par la biosphère.
[modifier] Améliorer la séquestration naturelle
[modifier] Forêts
Les forêts sont des réservoirs naturels de dioxyde de carbone, mais le phénomène de "puits de carbone" n'existe que si elles grandissent ou si leur sol s'enrichit durablement en carbone : il est ainsi naturellement limité. La capacité de séquestration des forêts, vu leur taille actuelle, est très faible en regard des rejets de CO2 liés à la combustion de carbone fossile (charbon, pétrole et gaz naturel). Il semble évident que l'utilisation des forêts pour endiguer le réchauffement climatique est insuffisant. Même les scenarios les plus optimistes concluent que planter de nouvelles forêts ne suffira pas à contre-balancer l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre. Par exemple, la réduction des émissions américaines de carbone de 7 %, comme stipulé dans le protocole de Kyoto, nécessiterait la plantation d'une forêt de la taille du Texas tous les 30 ans, selon William H. Schlesinger, doyen de "l'école Nicolas sur l'environnement et les sciences de la terre" à l'université Duke de Durham, N.C... Pour compenser leurs émissions, la plupart des régions développées devraient planter une surface bien plus grande que l'ensemble de leur territoire. Et il faudrait au total boiser bien plus que la surface disponible sur les terres émergées (champs, villes et routes inclues. Néanmoins, le potentil n'est pas négligeable, surtout si l'on vise des bois durs et denses et l'enrichissement des sols en matière organique.
En outre, la très jeune forêt plantée sur une coupe rase peut avoir un bilan négatif les 10 ou 12 premières années, rejetant plus de carbone qu'elle n'en consomme. La coupe rase favorisant par ailleurs l'érosion des sols et la perte du carbone qu'ils contenaient (significative en zone tempérée et froide). Le "réseau de puits CO2"à long terme est exposé aux incendies, aux tempêtes, aux maladies qui peuvent être exacerbéess par un "effet local de refroidissement" dû à l'absorption de carbone lors de la pousse des forêts peut être contre-balancé par les effets de la forêt sur la réflexion de la lumière solaire, ou albedo. Les forêts de haute à moyenne latitude ont un effet albedo plus faible durant les périodes de neige que les forêts enneigées de latitude basse, contribuant au réchauffement climatique.
[modifier] Océans
L'océan est le principal puits de carbone planétaire, mais il est saturé et semble commencer à s'acidifier.
Une proposition d'amélioration de la séquestration du carbone par l'océan est l'addition de micro-particules de fer appelés hématite ou de sulfate de fer dans l'eau, pour doper la croissance du plancton. Le fer est en effet un oligoélément nécessaire au phytoplancton dont il serait aujourd'hui un facteur limitant. Il est normalement apporté par les remontées le long de côtes, des apports par les rivières et par dépôts de poussières atmosphériques, mais certains estiment que les sources naturelles de fer sont en diminution constante depuis quelques décennies, contribuant à un déclin de la productivité organique des océans (NASA, 2003). En présence de fer le plancton se développe rapidement, augmentant la productivité de la biomasse sur de vastes volumes d'eau, en absorbant des quantités non négligeables de CO2 atmosphèrique par photosynthèse. En 2002, un test dans l'océan pacifique près de l'Antarctique a suggèré qu'entre 10 000 et 100 000 atomes de carbone sont absorbés lorsque un atome de fer est ajouté dans l'océan. Des travaux récents en Allemagne (2005) laissent penser que tout type de biomasse carbonique des océans, soit enfoui en profondeur, soit recyclé dans la zone euphotique, représente des moyens de stockage à long terme du carbone. L'apport de nutriments ferreux dans des zones sélectionnées de l'océan, à juste mesure, semble pouvoir restaurer la productivité océanique et limiter les effets désastreux des émissions humaines de CO2 dans l'atmosphère.
Les sceptiques argumentent que les effets globaux d'adjonction de fer sur le phytoplancton et sur les écosystèmes océaniques sont mal connus, nécessitant des études plus poussées. Par exemple, le phytoplanction contribue à la formation des nuages via la libération de substances comme le dimethyl sulfide (DMS) qui sont converties en aérosols sulfatés dans l'atmosphère formant un noyau de condensation nuageuse (ou CCN en anglais), l'eau vapeur étant un gaz à effet de serre et les nuages contribuant à modifier l'insolation et donc la photosynthèse. Le risque d'eutrophisation doit être localement pris en compte. Enfin ce sont les mers du sud qui sont pauvres en fer, alors qu'il ne manque pas dans l'hémisphère nord où les émissions de CO2 sont les plus importantes et où la bioproductivité est la plus élevée.
Le Pr Wolfgang Arlt de l'Université d'Erlangen-Nuremburg en Allemagne estime quand à lui qu'injecter du carbone dissous non pas en surface, mais à grande profondeur pourrait être une solution, à condition que ce CO2 soit réparti à échelle planétaire, en le tamponnant éventuellement avant des substances alcalines. Il estime que ce CO2 n'aurait qu'un faible impact en terme d'acidification s'il était injecté dans des eaux froides et denses plongeant dans l'océan profond, et que le CO2 ainsi injecté près de l'Europe serait redistribué jusqu'en Australie en un siècle selon lui sans affecter la vie des fonds marins. Cette solution devrait également être étudiée, estime-t-il.
Arlt indique qu'il prévoit que l'effet sur l'acidité d'océan employant cette méthode serait si petit il serait immensurable, et n'affecterait pas la vie de mer sur le fond des océans. Mais il pense que ceci devrait être étudié plus plus loin. Cette idée n'est pas retenue par l'IPCC qui reste très prudent sur les capacités de l'océan a absorber plus de carbone, mais juge que l'étude des impacts et du comportement du CO2 dans l'océan profond doit encore être étudié.
Le cycle du méthane dans les écosystèmes et dans les eaux est encore également mal connu.
[modifier] Sols
On estime que les sols stockaient à la fin du XXème siècle environ 2000 gigatonnes de carbone sous forme de matière organique. C'est presque trois fois le carbone atmosphérique, et quatre fois le carbone de la biomasse végétale) Mais cette fonction se dégrade presque partout, dans les sols agricoles surtout. L'augmentation des quantités d'humus permettraient d'améliorer la qualité de ces sols et la quantité de carbone séquestré. Le sous-sol stocke deux fois plus que le sol superficiel.
Les prairies accumullent d'énormes quantités de matières organiques, essentiellement sous forme de racines et micro-organismes, de manière relativement stable sur de longues duréee. Mais dans le monde, depuis 1850 une grande partie de ces prairies ont été converties en champs ou urbanisées, perdant ainsi paroxydation de grandes quantités de carbone. Une utilisation du (sans labour) augmente le carbone stockée dans le sol, et une conversion en pâturage bien gérée emprisonne encore plus de carbone. Les mesures de lutte contre l'érosion, le maintien d'une couverture végétale hivernale et une rotation des cultures augmentent aussi le taux de carbone des sols.
L’augmentation du CO2 de l’air pourrait ne pas être compensé par une plus grande séquestration dans les sols. Une étude[2] a montré que l’exposition longue à un doublement du taux de CO2 atmosphérique accélère fortement la dégradation de la matière organique des sols forestiers d’un boisement de chênes (=> déstockage de carbone du sol). Les arbres ont stocké plus carbone (212 g/m2 en aérien et 646 g/m2 dans les racines), mais 442 g/m2 de carbone ont été perdu dans le sol, essentiellement dans les 10 cm superficiels, en raison semble-t-il des impacts du CO2 sur le sol (acidification et stimulation de l'activité enzymatique des microorganismes du sol qui augmente la décomposition de la matière organique, et plus encore s’il y a des apports carbonés (litière)). Cette étude doit être confirmée par des études sur sols riches, car il s’agissait ici de sols pauvres où le carbone était à 75% constitué de chaînes carbonées fragiles.
[modifier] Séquestration artificielle
- Article détaillé : Stockage géologique du dioxyde de carbone.
Pour séquestrer du carbone artificiellement (i.e. sans utiliser le processus naturel de cycle de carbone), il doit préalablement être capturé. Ensuite, il est stocké par différents moyens.
Les usines de purification du gaz naturel doivent éliminer le dioxyde de carbone, pour éviter que la glace carbonique obstrue les camions-citernes ou empêcher les concentrations de CO2 d'excéder les 3% maximum permis sur le réseau de distribution de gaz naturel.
Au delà, une des techniques les plus prometteuses d'emprisonnement de carbone est la capture du CO2 provenant des fumées de centrales électriques (dans le cas du charbon, ceci est connu en tant que "charbon propre"). Typiquement, une station électrique récente produisant 1000 MégaWatts par combustion du charbon rejette environ 6 millions de tonnes de CO2 annuellement. Développer la capture du carbone dans les usines actuelles revient à augmenter les coûts de production d'énergie de manière exponentielle. De plus, une usine de charbon de 1000-MW requiert le stockage de 50 millions de barils de CO2 par an. Les coûts de production de l'électricité sont réduits quand la technologie de gazéification du charbon est utilisée dans les nouvelles installations, bien que cette électricité coûte 10 à 12 % plus cher que celle produite "traditionnellement" (par combustion de carbone fossile).
Le transport du gaz carbonique devra répondre à des normes de sécurité sévères, étant donné qu'il est mortel à des concentrations supérieures à 10%, comme l'a montré le tragique dégazage du lac Nyos.
[modifier] Capture du carbone
Actuellement, l' absorption du CO2 se fait à grande échelle au moyen de dissolvants aminés, surtout avec le monoéthanolamine (2-aminoéthanol, nomenclature UICPA). D'autres techniques sont à l'étude, comme l'absorption par variation rapide de température/pression, la séparation des gaz et la cryogénie.
Dans les centrales électriques à charbon, les principales alternatives aux absorbeurs de CO2 à base d'amine sont la gazéification du charbon et la combustion oxygène-fuel. La gazéification produit un gaz primaire constitué d'hydrogène et de monoxyde de carbone, qui est brûlé pour donner du gaz carbonique. La combustion oxygène-fuel brûle le charbon avec de l'oxygène à la place de l'air, produisant ainsi uniquement du CO2 et de la vapeur d'eau, facilement séparables. Cependant, cette combustion produit une température extrême et les matériaux supportant cette température restent à créer.
Une autre option à long terme est la capture du carbone de l'air en utilisant des hydroxydes. L'air sera littéralement dépouillé de tout son CO2. Cette idée est une alternative aux combustibles non fossiles pour le secteur des transports (voiture, camion, transports en commun...)
Un test mené à l'usine d'électricité de 420 mégawatts de la société Elsam, à Esbjerg (Danemark) a été inauguré le 15 mars 2006 [3] dans le cadre du projet européen Castor piloté par l'Institut français du pétrole (IFP) qui rassemble une trentaine de partenaires industriels et scientifiques. Ce procédé postcombustion doit permettre de diviser de moitié le coût de capture du CO2, le ramenant entre 20 et 30 euros la tonne.
Son coût sur quatre ans (2004-2008) est de 16 millions d'euros, dont 8,5 millions sont financés par l'Union européenne. Castor vise à valider des technologies destinées aux grosses unités industrielles - usine électrique, aciérie, cimenterie, etc. -, dont l'activité engendre 10 % des émissions européennes de CO2, afin que cette technique soit en rapport avec le prix européen des permis d'émission de CO2 (alors à 27 € la tonne).
[modifier] Capture post-combustion
Les rejets de centrales thermiques sont constitués de moins de 20 % de dioxyde de carbone. Ainsi, avant de l'enfouir sous la terre, il faut le capturer: c'est la capture post-combustion. En étant en contact avec des gaz acides (comme le CO2), une solution aqueuse de 2-aminoéthanol forme un sel à température ambiante. La solution est alors transportée dans un milieu fermé où elle est chauffée à environ 120°, ce qui, selon le principe de Le Châtelier, libère le CO2 (pur) et regénère, en solution aqueuse, le 2-aminoéthanol. 
[modifier] Océans
L'injection directe du carbone dans l'océan est un autre type de séquestration envisageable. Dans cette méthode, le CO2 est enfoui dans les eaux profondes, afin de former un "lac" de CO2 liquide piégé par la pression exercée en profondeur. Des expériences menées entre 350 et 3600 mètres indiquent que le CO2 liquide réagit à la pression en se solidifiant en hydrate de méthane, qui se dissout graduellement dans les eaux environnantes. L'emprisonnement n'est donc que temporaire.
Cette technique a des conséquences environnementales dangereuses. Le CO2 réagit avec l'eau pour former de l'acide carbonique H2CO3. L'équilibre biologique des fonds marins, mal connu, sera probablement affecté. Les effets sur les formes de vie benthique des zones pélagiques sont inconnus. D'un point de vue politique, il n'est pas certain que le stockage du carbone dans ou sous les océans soit compatible avec la Convention de Londres sur la prévention de la pollution marine [1].
Une autre méthode de séquestration océanique à long terme est le rassemblement de résidus de récoltes (comme les fanes de blés ou l'excès de paille) dans de grands ballots de biomasse, puis leur dépôt dans les zones "d'éventails alluviaux" (alluvial fan) des bassins océaniques profonds. Immergés ces résidus dans les éventails alluviaux aura pour effet de les enterrer rapidement dans la vase du plancher océanique, emprisonnant la biomasse pour un temps très important. Les éventails alluviaux existent dans tous les océans et mers du monde où les rivières des deltas se jettent dans le plateau continental, comme par exemple pour l'éventail alluvial du Mississippi dans le golfe du Mexique et l'éventail du Nil dans la mer Méditerranée.
[modifier] Sols
Le projet Castor prévoit l'étude de quatre sites de stockage géologique du CO2 : le réservoir pétrolier de Casablanca (Espagne), le gisement de gaz naturel d'Atzbach-Schwanenstadt (Autriche), l'aquifère de Snohvit (Norvège) et le gisement de gaz naturel K12B exploité par Gaz de France au large de la Hollande, desquels il est nécessaire de s'assurer de l'étanchéité. D'autres projets d'esprit similaire sont en cours de par le monde.
Selon le BRGM [4], les 20 milliards de tonnes de gaz carbonique émis chaque année devront être stockées dans les aquifères salins. Les aquifères salins sont des nappes d'eau trop salées pour être exploitées. Leur capacité d'accueil est estimée de 400 à 10 000 milliards de tonnes, à comparer aux 40 des gisements de charbons inaccessibles, aux 950 des gisements d'hydrocarbures et aux 20 des émissions annuelles actuelles. Le gaz doit être injecté à une profondeur d'au moins 800 mètres sous 800 bars de pression, à une température de 40 degrés, sous une forme "supercritique" en équilibre avec son environnement. Il formera progressivement de l'eau gazeuse.
[modifier] Stockage géologique
- Article détaillé : Stockage géologique du dioxyde de carbone.
Aussi connu sous le nom de séquestration géologique (et plus rarement géoséquestration), cette technique utilise l'injection de dioxyde de carbone directement dans des formations géologiques souterraines. Les champs de pétroles et aquifères salins qui ne sont plus exploités sont des sites de stockages idéals. Les cavernes et anciennes mines, communément utilisés pour stocker le gaz naturel, ne sont pas utilisées à cause d'un manque de sécurité dans le stockage.
Le CO2 a été injecté dans les champs de pétroles en déclin depuis plus de 30 ans, afin d'augmenter le taux de régénération du pétrole. Cette option est intéressante car le coût de stockage est compensé par la vente du pétrole additionnel qui a été régénéré. D'autres bénéfices de cette technique proviennent de l'usage d'infrastructures existantes et des donnés géophysiques et géologiques obtenus par l'exploration du pétrole. Tous les champs de pétrole disposent d'une barrière géologique empêchant la remontée de fluides gazeux (tel le CO2 dans le futur). Les inconvénients des champs de pétrole résident dans leur distribution géographique et leur capacité limitée.
[modifier] Puits de carbone et protocole de Kyōto
Le protocole de Kyōto affirmant que la végétation absorbe du CO2, les pays ayant des forêts étendues peuvent en déduire une certaine partie de leurs émissions (article 3, alinéa 3 du protocole de Kyōto); leur facilitant l'accès au niveau d'émission qui leur a été fixé.
On estime qu'en 2030, les combustibles fossiles représenteront encore plus des trois quarts de l'énergie utilisée. Ceux qui sauront piéger le CO2 à sa source (22 % des émissions viennent de l'industrie, 39 % de la production électrique) auront un levier puissant sur le futur marché mondial des "droits à polluer". [3]
[modifier] Voir aussi
[modifier] Notes et références
- ↑ (en) The case of the missing sink
- ↑ Expérience faite par le Smithsonian Environmental Research Center, dans le Merritt Island Wildlife Refuge, (Cape Canaveral, Floride) sur des chênes de Turquie (Quercus laevis) poussant sur sols pauvres et exposés 6 ans à un doublement du taux de CO2. Source : Karen M. Carney, Bruce A. Hungate, Bert G. Drake, and J. Patrick Megonigal, Altered soil microbial community at elevated CO2 leads to loss of soil carbon, Proc. Natl. Acad. Scie. U.S.A., published March 13, 2007, 10.1073/pnas.0610045104 texte intégral)
- ↑ 3,0 3,1 Le Monde du 19 mars 2006 http://www.lemonde.fr/web/article/0,1-0@2-3228,36-751760@51-690189,0.html
- ↑ Cité par Libération, 3 juin 2006, page 37
[modifier] Liens internes
- Cycle du carbone
- Carbone fossile
- Réchauffement climatique
- Gaz à effet de serre
- Terra preta (sols amazoniens produits par l'homme, à très haute teneur en carbone)
[modifier] Liens externes
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