L’Énergie Marine et l’Élimination du Carbone : Comparaison des Différentes Méthodes

Est-il possible que le potentiel énergétique considérable de l’océan puisse soutenir des opérations de captage de dioxyde de carbone (CO₂) à l’échelle des gigatonnes au cours des 100 prochaines années ? C’est une question à laquelle les chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont cherché à répondre dans une étude approfondie évaluant les méthodes les plus prometteuses de captage (mCDR), de capture (mCC) et de séquestration (mCS) du CO₂ marin. 

L’océan agit comme un réservoir géant de carbone, absorbant près d’un tiers des émissions de CO₂ rejetées dans l’atmosphère. Lorsqu’il est absorbé, l’eau de mer subit une acidification chimique. Plusieurs méthodes sont utilisées pour faire face à ce flux de carbone excessif, notamment l’injection de carbone dans les roches, la capture électrochimique ou la culture d’algues marines. Les scientifiques s’efforcent de tester et de mettre en œuvre plusieurs solutions fragmentaires. 

Un système de capture directe de l’océan utilisant une technologie de membrane et d’électrodialyse extrait le CO₂ directement de l’eau de mer pour réutilisation ou stockage permanent. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Captura Corporation

Cependant, les technologies de gestion du carbone sont extrêmement énergivores. Enlever le carbone de l’océan et de l’atmosphère nécessiterait que les États-Unis doublent leur capacité de production d’énergie. Tant que les combustibles fossiles fourniront l’énergie, l’impact de l’élimination du carbone sera nul. Les combustibles fossiles représentent 60,4 % de la production d’électricité à grande échelle aux États-Unis, et les énergies renouvelables – principalement l’éolien et l’hydroélectricité – ne représentent que 21,3 % de l’électricité nationale.

Cependant, le mCDR alimenté par l’énergie éolienne en mer et l’énergie marine pourrait contribuer à l’objectif international de limiter le réchauffement à 1,5°C (par rapport aux niveaux préindustriels) d’ici 2100. Selon les chercheurs du NREL, les eaux américaines renferment suffisamment d’énergie pour couvrir l’élimination de 10 milliards de tonnes de CO₂ par an. 

Méthodes de capture, séquestration et élimination du carbone marin. Image utilisée avec l’aimable autorisation du NREL (Page 8)

Quels sont les besoins énergétiques du captage du dioxyde de carbone marin ?

Les technologies de gestion du carbone marin consomment des quantités considérables d’énergie. En évaluant différentes options, les chercheurs du NREL ont fixé des seuils pour séquestrer au moins 1 gigatonne (Gt) de CO₂ par an sur une échelle de temps de 1 000 ans.

Une évaluation à grande échelle des méthodes de mCC (en haut) et de mCS (en bas) basée sur les besoins énergétiques et le potentiel de captage et de séquestration. Image utilisée avec l’aimable autorisation du NREL (Figures 8 et 9, Pages 26-27)

Les méthodes de mCC sont les plus exigeantes, avec jusqu’à 2 450 kWh par tonne (/t) de CO₂. Cela se rapproche de l’estimation énergétique supérieure requise pour la capture directe de l’air à terre, ce qui en fait une comparaison valide dans l’étude. 

Le mCS nécessite jusqu’à 480 kWh/t. Cela correspond au quartile supérieur de la séquestration des basaltes à terre, une stratégie de CS plus développée. 

Le mCDR, qui comprend à la fois la capture et la séquestration du carbone, a été calculé comme la somme des seuils de mCC et de mCS : 2 930 kWh/t. 

Une évaluation des méthodes de mCDR basée sur le potentiel d’élimination du carbone à grande échelle et les besoins énergétiques. Image utilisée avec l’aimable autorisation du NREL (Figure 7, Page 25)

Élimination électrochimique du carbone

L’étude a identifié le mCDR électrochimique (ou eChem) et le mCS en haute mer comme les méthodes les plus prometteuses. Cela contraste avec les techniques biologiques telles que la culture de microalgues, la culture et l’enfouissement d’algues marines, et le remontage artificiel, qui nécessitent une quantité d’énergie considérable pour atteindre des échelles de gigatonnes ou qui ne parviennent pas à atteindre l’objectif annuel d’1 Gt de CO₂.

Le mCDR électrochimique et le mCC utilisent l’électrochimie et l’eau de mer pour séparer le CO₂ pur de l’océan en vue de son stockage ou de sa réutilisation, ou pour séquestrer le CO₂ en produisant du carbone inorganique alcalin, tel que le carbonate. Ces méthodes utilisent généralement l’électrodialyse, qui produit des solutions acides et basiques à partir de l’eau de mer, ou l’électrolyse, un processus de division de l’eau qui crée de l’acide et de la base. 

Un exemple de système CC direct océanique alimenté par une technologie d’électrodialyse, d’énergie renouvelable. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Captura Corporation

L’ajout de base, la formation de carbonate, la séquestration dans les basaltes et les sédiments du fond marin satisfont tous les trois seuils en termes de besoins énergétiques, d’échelle et de durée de stockage.

• Ajout de base (mCDR): Cette méthode augmente l’alcalinité de l’océan, empêchant le CO₂ stocké de retourner dans l’atmosphère. Une solution alcaline diluée est directement placée dans l’eau, ce qui crée des ions bicarbonate offrant jusqu’à 100 000 ans de stockage du CO₂. La solution acide inutilisée peut être neutralisée en la pompant dans des formations rocheuses ou dans l’océan profond, où les dépôts de carbonate du fond marin peuvent se dissoudre pour former des ions bicarbonate et atténuer les changements de pH. (L’étude a souligné une réserve concernant les impacts environnementaux non clarifiés, soulignant la nécessité de tests sur le terrain supplémentaires.)
• Formation de carbonate (mCDR) ajoute une solution basique suffisamment concentrée dans un espace clos pour produire des carbonates minéraux à partir du CO₂ dissous. Ces carbonates peuvent stocker le CO₂ pendant près de 100 millions d’années.
• Séquestration dans les basaltes (mCS): Le CO₂ est comprimé et injecté dans des formations de basalte profondes dans l’océan. Ces réservoirs convertissent le CO₂ en minéraux carbonates stables pour un stockage permanent.
• Séquestration dans les sédiments du fond marin (mCS) injecte du CO₂ dans des sédiments auto-obturants avec une activité biologique minimale. Cette méthode peut stocker les gaz à effet de serre pendant plus de 100 000 ans.
• Dégazage acide (mCC): Parmi les techniques de mCC étudiées, le dégazage acide est le seul à satisfaire aux exigences en termes d’énergie et de potentiel de captage à grande échelle. Cette méthode transfère l’eau de mer dans une chambre d’acidification pour collecter du CO₂ pur. Le CO₂ dissous se détache ensuite comme dans une boisson gazeuse. Le gaz est ensuite aspiré dans un contenant de stockage, et l’eau de mer acidifiée est mélangée avec une solution basique pour revenir à un pH neutre avant d’être réintroduite dans l’océan. Le CO₂ extrait peut être séquestré en combinant des méthodes de CS en haute mer, telles que la séquestration dans les basaltes, pour répondre aux trois seuils du mCDR.

Rôle de l’énergie éolienne marine et côtière

Les méthodes eChem pourraient éliminer de 1 à 10 Gt de CO₂ par an lorsqu’elles sont alimentées par des énergies éolienne marine et côtière combinées.

L’étude a révélé que l’énergie des vagues est idéale pour les méthodes de mCDR, tandis que la conversion de l’énergie thermique de l’océan (OTEC) est plus efficace pour la CS en haute mer.

Échelles réalisables de mCDR, mCC et mCS en utilisant des sources d’énergie marine dans des lieux aux États-Unis, suivies de l’énergie éolienne en mer. Image utilisée avec l’aimable autorisation du NREL (Figure 10, Page 29)

Bien que l’étude se soit principalement concentrée sur l’énergie marine, il existe également une opportunité significative d’utiliser l’énergie éolienne en mer pour alimenter le mCDR. Pour mesurer ce potentiel, les chercheurs du NREL ont inclus des estimations provenant de turbines flottantes et d’installations fixes.