Le cycle du carbone : comment réduire le dioxyde de carbone dans l'atmosphère ?

Dec 11, 2023

La vie telle que nous la connaissons n'existerait pas sans le carbone, qui est un composant essentiel des molécules complexes, notamment l'ADN, les protéines et les glucides. Le carbone est le quatrième élément le plus abondant dans l'univers, selon l'Observatoire de la Terre de la NASA. La majeure partie du carbone terrestre est stockée dans les roches. Le reste est présent dans l'atmosphère, l'océan, les êtres vivants, le sol et les combustibles fossiles. Le cycle du carbone - qui comprend des composants rapides et lents - décrit comment le carbone se déplace naturellement à travers ces différents dépôts.

Depuis le début de la révolution industrielle il y a environ 150 ans, les humains libèrent du carbone dans l'atmosphère à partir de combustibles fossiles, tels que le charbon, le pétrole et le gaz naturel. L'énergie provenant de ces sources a permis la disponibilité généralisée des produits manufacturés, des automobiles, de l'électronique et d'autres innovations qui rendent la vie moderne possible. Cependant, l'excès de carbone altère désormais le climat et menace les écosystèmes qui maintiennent l'équilibre de la vie. Ainsi, la réduction des émissions de carbone est devenue un objectif international urgent.

Le cycle rapide du carbone est en grande partie le mouvement du carbone à travers les formes de vie sur Terre. Le dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère est absorbé par les plantes qui subissent la photosynthèse, qui utilise l'énergie du soleil pour combiner le CO2 avec l'eau (H2O) pour produire du sucre (généralement C6H12O6) et de l'oxygène (O2).

Les carbones capturés par ce processus peuvent être incorporés dans une variété apparemment infinie de molécules organiques complexes à mesure que les plantes poussent et soutiennent des écosystèmes qui incluent des animaux, des bactéries et des champignons. Dans le sens inverse de la réaction d'origine, les molécules de sucre peuvent être décomposées pour produire de l'énergie et du CO2 lors de la digestion, de la décomposition ou du feu. Cela nécessite l'apport d'oxygène et d'eau et permet au CO2 d'être rejeté dans l'environnement.

Les humains connaissent mieux le CO2 dans l'atmosphère, mais le CO2 est également présent dans l'océan. Les algues marines microscopiques - appelées phytoplancton - absorbent ce CO2 et utilisent l'énergie du soleil pour effectuer la photosynthèse. Ces algues forment la base de la chaîne alimentaire marine et fournissent 50% de l'oxygène de l'atmosphère, selon National Geographic.

La partie la plus rapide du cycle lent du carbone est l'océan. A la surface de l'océan, le dioxyde de carbone est échangé avec l'atmosphère. Comme les humains ont libéré plus de CO2 dans l'atmosphère, l'océan a absorbé plus de CO2.

Une fois dans l'océan, le dioxyde de carbone réagit avec les molécules d'eau pour libérer de l'hydrogène, ce qui rend l'océan plus acide. L'hydrogène réagit avec le carbonate pour produire des ions bicarbonate. Le carbonate est également utilisé par les organismes constructeurs de coquilles, y compris le phytoplancton, les coraux, les huîtres et les étoiles de mer, pour construire leurs coquilles de carbonate de calcium. Plus de dioxyde de carbone dans l'atmosphère a entraîné moins de carbonate dans les océans et des coquillages plus fragiles.

Lorsque les organismes marins meurent, ils coulent sur le fond marin. Au fil du temps, des couches de coquillages et de sédiments se sont cimentées pour former du calcaire. Le carbone piégé dans le calcaire peut être stocké pendant des millions d'années, comme en témoignent les coquilles fossiles que l'on trouve couramment dans le calcaire. Environ 80% des roches contenant du carbone sont fabriquées de cette façon. Les 20% restants proviennent d'organismes terrestres qui se sont incrustés dans la boue pour former du schiste, qui est un autre type de roche sédimentaire. Si les plantes mortes s'accumulent plus vite qu'elles ne peuvent se décomposer, elles peuvent devenir des combustibles fossiles.

Au cours des temps géologiques, ces roches sédimentaires peuvent être exposées à l'atmosphère ou à l'activité volcanique, et leur carbone peut être renvoyé dans l'atmosphère. Le dioxyde de carbone dans l'atmosphère se combine avec l'eau pour former de l'acide carbonique, qui est un acide faible qui tombe sous forme de pluie et dissout les roches exposées par un processus appelé altération chimique. Cela libère des ions - tels que le calcium nécessaire pour former des coquilles de carbonate de calcium - et conduit finalement à davantage de dépôt de carbone sur le fond de l'océan. Lorsque l'activité volcanique fait fondre les roches sédimentaires, elles forment des minéraux silicatés frais et libèrent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Actuellement, les volcans émettent entre 130 et 380 millions de tonnes métriques de dioxyde de carbone par an. En brûlant des combustibles fossiles, les humains émettent désormais environ 36 milliards de tonnes métriques de dioxyde de carbone par an, selon Statista. La quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère est maintenant plus élevée qu'à tout autre moment au cours des 3,6 derniers millions d'années.

Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre. Lorsqu'il est présent dans l'atmosphère, il absorbe la chaleur émise par la Terre et en renvoie une partie vers la Terre. Sans gaz à effet de serre comme la vapeur d'eau, le CO2 et le méthane, la Terre serait complètement gelée. Cependant, trop de dioxyde de carbone provoque un réchauffement excessif. Depuis 1880, les concentrations de CO2 dans l'atmosphère sont passées de 280 parties par million à 387 parties par million, et les températures mondiales moyennes ont augmenté de 0,8 degrés Celsius (1,4 degrés Fahrenheit).

Pour inverser ce problème, il est essentiel de réduire les émissions de carbone en utilisant l'énergie plus efficacement et de passer à une énergie propre et renouvelable dans la mesure du possible. Il est également important de protéger et de restaurer les réservoirs naturels de carbone, tels que les forêts, le pergélisol et les marais salants. Cependant, certains processus industriels (par exemple, la fonte du fer et la fabrication de ciment à partir de calcaire) libèrent du carbone quelle que soit la source d'énergie.

Par conséquent, nous avons besoin de moyens pour capturer le dioxyde de carbone de l'atmosphère ou du point d'émission et le stocker en toute sécurité pendant des milliers ou des millions d'années.

Selon Chemical and Engineering News, les technologies existantes de capture du carbone fonctionnent mais sont d'un coût prohibitif dans tous les contextes, sauf quelques-uns. La capture du carbone est essentiellement un problème de séparation des gaz, qui devient plus énergivore à mesure que le CO2 se dilue. Les "fruits à portée de main" comprennent les usines sidérurgiques, qui émettent des flux avec 15% à 80% de CO2. Les centrales électriques au charbon et au gaz naturel sont plus difficiles, car elles produisent la plus grande part des émissions de gaz et émettent des flux de gaz contenant moins de 15 % de CO2. Le plus difficile de tous est l'air ambiant, qui a une concentration de CO2 d'environ 0,041 %.

Les technologies existantes incluent l'utilisation de filtres, de membranes ou de solvants qui absorbent le CO2 tout en laissant passer d'autres molécules. Ces processus nécessitent souvent de la chaleur pour pousser le gaz à travers le filtre afin d'éliminer le CO2 purifié afin qu'il puisse être stocké ou pour rafraîchir le système afin qu'il puisse être réutilisé. Une option prometteuse consiste à associer ces besoins énergétiques à des sources d'énergie propres ou à de la chaleur qui, autrement, serait gaspillée.

Selon le groupe de réflexion sur la politique environnementale Center for Climate and Energy Solutions, les technologies de capture du carbone existantes peuvent capturer plus de 90 % des émissions de CO2 des centrales électriques et des installations industrielles. Les formations géologiques utilisées ou envisagées pour le stockage du CO2 comprennent les anciens réservoirs de pétrole et de gaz, les aquifères salins, les formations de basalte et les bassins de schiste.

Presque tout le CO2 capturé à ce jour a été utilisé dans la "récupération assistée du pétrole", où le CO2 est injecté dans des champs pétrolifères en déclin pour augmenter la production de pétrole. Cela semblerait annuler les avantages de la capture du carbone et aller à l'encontre de l'objectif de transition vers les énergies renouvelables. Cependant, les sociétés pétrolières et gazières ont été les premières à adopter la technologie de capture du carbone et disposent d'énormes budgets - qui sont tous deux essentiels pour améliorer rapidement la technologie afin d'atteindre des émissions nettes de carbone nulles.

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