Séquestration du dioxyde de carbone

La séquestration naturelle se fait dans un puits de carbone comme les océans[3] (CO₂ dissous et CO₂ fixé dans des organismes photosynthétiques : algues planctoniques, bactéries photosynthétiques), les forêts (au-dessus et en dessous du sol : système racinaire, humus), et, dans une moindre mesure, les prairies et le reste du couvert végétal, qu'il soit naturel ou sous conduite humaine (pâturages, cultures, jardins, etc.).

Compte tenu de l'intrication des menaces sur le climat et la biodiversité, l'Union internationale pour la conservation de la nature préconise le recours à des solutions fondées sur la préservation ou la restauration des écosystèmes, notamment les forêts[4] - [5].

Le sol stocke plus de carbone terrestre que la somme des puits de carbone atmosphérique et végétal. La plus grande densité de ce carbone séquestré se trouve dans les sols des prairies[6] - [7].

Quatre acteurs clés interviennent dans ce processus[8] :

• les litières végétales (feuilles, plantes et racines mortes) ;
• les micro-organismes saprotrophes libres, qui se nourrissent exclusivement de matière organique morte ;
• les champignons mycorhiziens, qui vivent en symbiose avec les racines de certaines plantes ;
• les animaux détritivores du sol (vers de terre, cloportes, collembolles et mille-pattes), qui se nourrissent des déchets végétaux.

Les pratiques culturales sans labour, en présence de paillage, visent à maintenir la séquestration de matière organique riche en carbone dans le sol. Cette pratique empêche l'exposition du sol à l'oxygène atmosphérique, la lixiviation et l'érosion. L'arrêt du labour encouragerait la prédation des fourmis sur les termites mangeurs de bois, permettrait aux mauvaises herbes de régénérer le sol et aiderait à ralentir les ruissellements sur les terres[9].

Le carbone bleu fait référence au dioxyde de carbone retiré de l'atmosphère par les écosystèmes océaniques côtiers du monde, principalement les mangroves, les marais salants, les herbiers marins et potentiellement les macroalgues, par la croissance des plantes et l'accumulation et l'enfouissement de matière organique dans le sol[10] - [11].

Le microbiote du sol contribue fortement à la séquestration du carbone dans la végétation et les sols des forêts qui couvrent près d'un tiers de la surface émergée de la planète. La végétation des forêts stocke près de la moitié du réservoir de carbone terrestre et leurs sols 11 %[12], ces deux réservoirs piégeant annuellement 30 % des émissions de dioxyde de carbone provenant de la combustion des combustibles fossiles[13].

Les forêts du monde contiennent plus de carbone que l’ensemble de l’atmosphère, « avec 650 milliards de tonnes de piégé, dont 44 pour cent dans la biomasse, 11 pour cent dans le bois mort et la litière, et 45 pour cent dans le sol. Si la gestion durable, la plantation et la réhabilitation des forêts peuvent conserver ou accroître les stocks de carbone forestier, la déforestation, la dégradation forestière et une gestion forestière insuffisante ont pour effet de les réduire. Cette baisse est principalement imputable à la réduction de la superficie forestière mondiale et s’est produite en dépit de l’augmentation du matériel sur pied par hectare dans certaines régions[14]. »

Longtemps nommée « poumon vert de la planète » (l'image est un contre-sens car un poumon consomme de l'oxygène et rejette du CO₂), la forêt amazonienne émettrait aujourd'hui plus de CO₂ que d'O₂, en raison de la déforestation et du réchauffement climatique[15].

Selon une étude récente[16], la ville de Hangzhou (Chine) a une forêt urbaine qui absorbe en moyenne 1,66 t de carbone par hectare et par an et aurait séquestré à ce jour 30,25 t de carbone par hectare.

Les végétaux présents dans le milieu urbain contribuent aussi à piéger du dioxyde de carbone. Différentes études ont été menées pour mesurer la quantité de gaz concernée, notamment en Chine et aux États-Unis.

En 2010, une étude[16] a par exemple cherché à quantifier le stockage du carbone et la séquestration permise par certaines forêts urbaines au regard des émissions de carbone venant de la consommation d'énergies fossiles par les sources industrielles de Hangzhou, en Chine). Les données d'inventaire des forêts urbaines, via des équations basées sur le volume de biomasse, et le calcul de l'accroissement annuel et via une modélisation de la productivité primaire nette (PPN), des estimations de carbone stocké ont été faites.

Le carbone total stocké par les forêts urbaines de Hangzhou a ainsi été estimé à 11,74 MtC (soit environ 30,25 t de carbone par hectare en moyenne). La séquestration du carbone par les forêts urbaines était de 1.33 Mt/an, soit une séquestration par hectare de 1,66 t de carbone par hectare et par an. Or, les émissions industrielles de CO₂ étaient pour Hangzhou de 7 MtC/an[16].

Dans ce cas, les forêts urbaines semblent donc capables de compenser par séquestration chaque année 19 % de la quantité de carbone émise par la combustion d'énergies fossiles par l'industrie locale[16]. Ce taux de carbone séquestré pourrait encore être amélioré par des pratiques de gestion adaptées[16].

Une étude[17] publiée en 2011, du même type, utilisant aussi des images haute définition (Images QuickBird d'août 2006), et intégrant une évaluation de la valeur monétaire et compensatoire du carbone stocké (au regard du marché du carbone) a été fait à Shenyang (Liaoning, Chine), ville très industrialisée du nord de la chine peu boisée. La surface boisée était de 101 km² (5,76 millions d'arbres et 569 arbres par hectare en moyenne), couvrant 22 % de la superficie totale du site d'étude (intérieur du 3^e anneau routier périphérique de Shenyang). Le statut de ces boisements était une conservation d'intérêt écologique ou d'intérêt social[18] sur près de 50 % de l'aire d'étude ; 10,9 ha (environ 10 % du total et avec la plus grande densité d'arbres ; 905 ± 133 tiges/ha) étaient destinés à l'exploitation du bois.

Selon les calculs des auteurs, ces forêts urbaines (anciennes ou récemment plantées aux abords du périphérique, abritant 120 espèces d'arbres et 53 espèces de buissons, les espèces les plus communes étant le peuplier du Canada (Populus ×canadensis, Moench), le saule matsudana Salix matsudana (à croissance rapide), et l'orme de Sibérie Ulmus pumila) peuvent réellement jouer un rôle en matière de stockage de carbone, avec environ 337 000 t de carbone actuellement stocké par an (pour une valeur estimée de 13,88 millions de dollars), et avec un taux de séquestration du carbone de 29 000 t/an (équivalent à 1,19 million de dollars).

Le carbone stocké par la forêt périurbaine correspond à 3,02 % des émissions annuelles de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles. La séquestration du carbone pourrait ainsi compenser 0,26 % des émissions annuelles de carbone de Shenyang. L'étude montre aussi que le stockage de carbone et le taux de séquestration varient fortement selon le type de forêt urbaine (essences, sol, composition en espèces, structure forestière et classes d'âge), et qu'il pourrait être amélioré par une gestion adaptée.

En zone subtropicale de Miami-Dade et de Gainesville aux États-Unis, la forêt urbaine a aussi été étudiée de ce point de vue[19]. Gainesville, où le boisement urbain est plus dense, stocke et séquestre plus de carbone que Miami-Dade, en raison de cet environnement mais aussi du mode d'urbanisation. Les quartiers plantés de bois de pins et chênes naturels, ainsi que les mangroves et des boisements subspontanés (friches...) séquestrent mieux le carbone. Ces boisements ne compensent cependant que peu les émissions urbaines (−3,4 % à Gainesville et −1,8 % à Miami-Dade). De plus, reconvertir l'espace urbain encore disponible en forêt ne diminuerait que peu les émissions de CO₂. Pour les années 2010, le CO₂ capté par les arbres était comparable aux effets des autres politiques de réduction de CO₂. Mais au vu des objectifs à long terme, des multiples services écosystémiques rendus par les boisements, des coûts, des besoins communautaires, les auteurs jugent que la préservation des forêts existantes doit être reconsidérée en intégrant leur valeur pour la lutte contre le réchauffement climatique, l'adaptation à ce réchauffement, et pour la restauration ou conservation d'autres services écosystémiques[20], dont l'amélioration de la qualité de l'air[21] ou la dépollution de certains sols[22].

Le département des forêts de l'USDA a collecté[23] des données pour 10 grandes villes des États-Unis et pour le couvert forestier nord américain. Selon ces sources, les arbres urbains USA stockeraient actuellement et provisoirement aux États-Unis environ 700 millions de tonnes de carbone (soit un service équivalent à 14,3 milliards de dollars de valeur au « prix du carbone » de 2010, avec un bilan brut de séquestration du carbone de 22,8 millions tC/an (soit un service écosystémique correspondant à environ 460 millions de dollars/an).

Ce stockage « urbain » du carbone varie considérablement selon les villes ; de 1,2 million de t/an à New York, à 19 300 tC à Jersey City (New Jersey). En moyenne, ce stockage de carbone a été estimé aux États-Unis (pour le début des années 2000) à 25,1 t de carbone par hectare (comparativement à 53,5 tC/ha dans les peuplements forestiers).

Un mouvement issu des travaux du botaniste japonais Akira Miyawaki cherche à planter de minuscules forêts denses dans toute l'Europe afin de restaurer la biodiversité et de lutter contre la crise climatique. Selon leurs promoteurs, ces forêts miniatures poussent 10 fois plus vite et deviennent 30 fois plus denses et 100 fois plus riches en biodiversité que celles plantées par des méthodes conventionnelles. Ce résultat est obtenu par la plantation de jeunes arbres rapprochés, trois par mètre carré, en utilisant des variétés indigènes adaptées aux conditions locales et une grande variété d'espèces pour recréer les couches d'une forêt naturelle[24].

L'efficacité photosynthétique des plantes peut être augmentée en modifiant leurs gènes Rubisco pour augmenter leur activité catalytique, afin d'accroître la séquestration du carbone[25]. Un des domaines de recherche consiste à augmenter la proportion de plantes photosynthétiques à fixation du carbone en C₄. Les plantes C₄ représentent environ 5 % de la biomasse végétale sur terre et 1 % des espèces végétales connues[26], mais elles réalisent environ 30 % de la fixation terrestre du carbone[27]. Dans les feuilles des plantes C₃, les photons subissent une photosynthèse accompagnée d'une photorespiration qui protège la photosynthèse de la photoinhibition, mais « gaspille » 50 % du carbone potentiellement fixé[28]. La voie photosynthétique C₄ réduit cependant la photorespiration[29]. Une piste envisagée par certains chercheurs consiste à tenter de modifier génétiquement les cultures vivrières de base C₃ (comme le blé, l'orge, le soja, les pommes de terre et le riz) avec l'appareil photosynthétique « turbo » des plantes C₄[30].

Le dioxyde de carbone pourrait théoriquement être massivement enfoui, par des méthodes qu'il faudra sécuriser sur le très long terme. On considère trois principaux lieux et modes de séquestration :

1. le substrat géologique rocheux (pour une capacité estimée d'environ 2 000 Gt de CO₂, selon le GIEC qui estime qu'avec des technologies à développer et valider, et une surveillance appropriée, plus de 99 % du CO₂ injecté sur 1 000 ans pourrait ainsi être emprisonné pour plusieurs millions d'années), par injection via des puits sous forme de fluide supercritique dans des roches perméables (aquifères). Les technologies dérivent de l'industrie pétrolière (caractérisation de réservoirs potentiels, forages, gazoduc, compression) qui se positionne sur ce nouveau marché lui permettant de limiter les émissions en CO₂ de son exploitation du carbone fossile. Le risque de remontée de CO₂, massive depuis un puits mal étanchéifié, ou plus diffuse, ou de diffusion du CO₂ dans les aquifères supérieurs, doit être maîtrisé ;
2. les grands fonds océaniques (stockage provisoire et incertain, et à haut risque pour la biodiversité des grands fonds) ;
3. l'inertage sous forme de carbonates minéraux reconstitués (solution copiant la nature, mais coûteuse en énergie).

Avant la phase de séquestration à proprement parler, une étape de captage (et éventuellement de transport) est nécessaire :

1. La capture du dioxyde de carbone CO₂ peut se faire selon plusieurs techniques :
   • en postcombustion (capture dans les fumées en aval de la combustion),
   • en précombustion (décarbonatation du combustible en amont, c'est-à-dire avant la combustion. Le carbone est alors enlevé du carburant et stocké en amont de la combustion qui ne concernera que de l'hydrogène en n'émettant que de la vapeur d'eau et des oxydes d'azote, de soufre, etc.),
   • en oxycombustion (l'oxycombustion consiste à remplacer l'air (le comburant de la chaudière ou du moteur) par du dioxygène pur, pour n'émettre qu'un flux de dioxyde de carbone très concentré voire pur) ;
   • Capture dans l'air ambiant par adsorption ;
   • Captage direct du dioxyde de carbone ;
2.  L’entreposage intermédiaire de courte durée directement après le processus de séparation et en attente du transport et/ou de la séquestration du dioxyde de carbone récupéré ;
3. Le transport : le plus souvent, le CO₂ (sous forme gazeuse ou autre) doit être transporté (par gazoduc ou bateau) de manière sécurisée quand le site de stockage est éloigné du site de capture ;

Si des solutions géotechniques étaient validées et efficaces, selon le GIEC (en 2005), cette solution pourrait potentiellement répondre de 10 % à 55 % de l'effort total de réduction à envisager pour le siècle 2000-2100, mais leur fiabilité à long et très long terme reste discutée, notamment face au risque sismique.

• Dans des gisements d'hydrocarbures étanches : les gisements de gaz naturel et de pétrole sont les candidats les plus fréquemment cités pour y séquestrer du CO₂ en raison de leur étanchéité et de leur stabilité à l'échelle des temps géologiques. L'injection de CO₂ dans des gisements pétroliers étant d'ailleurs déjà pratiquée depuis des décennies (surtout au Texas), à des fins de récupération assistée : Puissant solvant, le CO₂ supercritique aide à récupérer une partie du pétrole résiduel de gisements difficiles ou en baisse de production. Néanmoins, la grande majorité des projets de récupération assistée à base de CO₂ (CO₂-EOR, pour (en) enhanced oil recovery) entrepris jusqu'à présent utilisent du CO₂ issu de sources naturelles.
• Dans des veines de charbon : sorption sur du charbon inexploitable dans des séquences de lits de charbon peu épais, difficilement accessibles à grande profondeur et confinés par des formations schisteuses peu perméables. Le méthane de veines de charbon non exploitées pourrait être extrait et remplacé par du CO₂, la récupération du méthane finançant le stockage du CO₂. Réinjecter du gaz dans les pores du charbon est théoriquement possible si les couches ne se sont pas tassées après extraction. Des pilotes expérimentaux testent cette solution, qui pourrait éventuellement être associée à la gazéification du charbon, si des méthodes probantes et sécurisées étaient développées.
• Les aquifères salins sont géologiquement pour partie comparables aux gisements d'hydrocarbures, mais avec une capacité bien plus grande. Plusieurs mécanismes de piégeage semblent pouvoir y immobiliser le CO₂, avec moins de risque de fuite que dans les bassins houillers ou dans certains champs pétrolifères criblés de puits et parfois affectés par des affaissements et donc des fissures dans les terrains surincombants.
• Autres milieux : le stockage géologique entre des strates de schistes serait aussi considéré. Les solutions aujourd'hui envisagées visent quasi-toujours des bassins sédimentaires. Toutefois, dans des régions volcaniques, les formations de basalte pourraient aussi servir à stocker du CO₂ par réaction du CO₂ avec des silicates réactifs (piégeage minéral). Le CO₂ peut alors réagir avec le basalte et les nombreuses communautés microbiennes qui y sont présentes[31].

Plusieurs approches sont proposées pour séquestrer du CO₂ en mer ou dans les abysses :

1. ensemencement d'horizons marins superficiels par du fer, car le fer est un facteur limitant pour la croissance du plancton (dont la masse morte piégerait alors le carbone). En 1990 l’océanographe John Martin dans la revue scientifique Nature montrait que le fer naturellement présent dans l'eau dopait la croissance du phytoplancton. Le rôle du fer (quand il est biodisponible et bioassimilable) a été confirmé par plusieurs études, mais sans que l'on puisse encore savoir si un forçage anthropique par ajout de fer pourrait efficacement et durablement piéger plus de carbone[32]. L'idée a germé qu'on pourrait hors de zones déjà eutrophes ou dystrophes « fertiliser » artificiellement la mer pour accélérer sa fonction de « pompe biologique à carbone » (qui absorbe de 10 à 20 milliards de tonnes de carbone par an dans les sédiments marins). De 2002 à 2005, 12 fertilisations artificielles ont été testées, mais seules trois d'entre elles ont pu faire la preuve qu'il y a réellement eu séquestration de carbone, souligne le biogéochimiste Philip Boyd[33], et on ignore ce qu'il est advenu à long terme du carbone. Une des difficultés semble être que le fer doit être bioassimilable pour le plancton et très largement réparti. D'autre part, les boucles de rétroaction des écosystèmes marins sont encore mal cernées ;
2. Rejet en mer (via les fleuves) de grandes quantités de déchets agricoles (résidus de récolte), qui selon Stuart E. Strand et Gregory Benford (du Département de physique et astronomie de l'université de Washington) serait la seule méthode actuellement reproductible, pratique, économique, immédiatement applicable, sans « dommages inacceptables » ayant un impact significatif et pouvant traiter de grandes quantités de carbone pour des milliers d'années[34]. Selon eux : après 20 ans, 92 % de ce carbone serait séquestré dans les grands fonds alors que la production d'éthanol cellulosique n'a qu'un rendement de 32 % et que le sol n'en aurait séquestré que 14 %[35] - [36]. L'océan profond pourrait ainsi selon eux capter 15 % de l'augmentation annuelle mondiale actuelle du CO₂, et le stocker pour des millénaires, sans besoins techniques nouveaux[34]. Mais, outre que l'immersion de déchets est interdite par des conventions internationales, ces déchets intéressent les unités de méthanisation et/ou sont jugés nécessaires à la restauration et conservation de la matière organique des sols cultivés dont pour lutter contre l'érosion et nourrir la microfaune du sol. Ils sont en outre souvent pollués par des pesticides. Jetés dans les fleuves ou sur les littoraux, ils pourraient aggraver certains problèmes de dystrophisation (efflorescences algales, marées vertes, pullulation de sargasses...), d'anoxie et de zones mortes[34].
3. dissolution par injection de CO₂ à au moins 1 000 m de profondeur, avec le risque de dispersion de ce carbone sous forme d'acide carbonique, et d'impacts mal maîtrisables liés à l'acidification de l'eau ;
4. injection de CO₂ sous très haute-pression dans des fosses marines (à au moins 3 000 m), où on espère que le CO₂ formerait durant un certain temps un lac plus lourd que l’eau de mer, ralentissant sa dissolution du CO₂ dans l'environnement. Cette solution a peu de soutiens en raison de ses impacts environnementaux certains sur la faune et les écosystèmes microbiens des grands fonds[37] ;
5. conversion de CO₂ en bicarbonates, hydrates ou matière organique, via le phytoplancton[38], pour induire une nécromasse riche en carbone sédimentant, qui est une dernière possibilité, mais les capacités maximales d'absorption naturelle de CO₂ par l'océan semblent souvent déjà atteintes.

Le stockage sous forme stable et inertée (par exemple de carbonates insolubles : réaction du CO₂ avec certains minéraux silicatés très réactifs tels que l'olivine ou la serpentine présent dans les roches basaltiques et mafiques et transformation en carbonate de magnésium ou de fer insoluble) est la solution évaluée la plus sûre et durable, mais pour le moment la plus coûteuse et techniquement non maîtrisée à grande échelle. Cette altération forcée est en particulier très coûteuse en énergie (selon le GIEC, en 2005). Avec les technologies actuelles, il faudrait augmenter de 60 à 180 % de la consommation de carburant des centrales thermiques, augmentation ne pouvant qu'être partiellement compensée par des technologies plus efficaces.

Des tests de minéralisation du CO₂ sous forme de carbonates sont effectués sur le site de la centrale géothermique de Hellisheiði (Islande) dans le cadre du projet CarbFix. Le CO₂ est injecté avec de l'eau à une profondeur comprise entre 400 et 800 m (il faut 25 tonnes d'eau par tonne de CO₂ injecté) et réagit avec le calcium, le magnésium et le fer présents dans la roche pour former des carbonates. Plus de 95 % du CO₂ injecté est minéralisé au bout de deux ans[39].

En 2023, une étude destinée à tester la faisabilité d'une séquestration à température ambiante du dioxyde de carbone dans des roches broyées révèle qu'il n'y pratiquement pas de carbonatation mais qu'il y a bien une séquestration par adsorption sur les surfaces et aux interfaces entre les minéraux (joints de grains). À la suite du broyage et de la rupture mécanique de liaisons chimiques au sein des minéraux concassés, de nouvelles surfaces chimiquement réactives sont formées. Des gaz, comme le CO₂, peuvent alors se sorber préférentiellement sur ces surfaces nouvelles activées et s'y fixer de façon plus ou moins stable. On peut ainsi stocker 13,9 grammes de CO₂ par kilogramme de roche dans du granite et 15,5 g/kg dans du basalte. Cette séquestration pourrait devenir un sous-produit de la fabrication de matériaux de construction si les granulats (ou agrégats) les composant peuvent être broyés sous atmosphère de CO₂ pur, ou fortement enrichie avec ce gaz[40] - [41].

• La capture et la réduction du CO₂ peuvent être réalisées par des micro-organismes cultivés en réacteur et le carbone stocké grâce à la biomasse produite (qui peut être éventuellement valorisée sous forme de matériaux bio sourcés, combustibles, produits chimiques, bio plastiques, isolants, etc.). L'échelle industrielle n'est pas encore atteinte, mais 29 micro-organismes ont été retenus sur environ 3 000 à Niederaussem (Allemagne) par une start-up de biotechnologies Brain AG, pour le compte de l'énergéticien RWE. Ces micro-organismes seraient les plus performants pour absorber de grandes quantités de CO₂. Brain AG et RWE envisagent une commercialisation du procédé avant 2025[42].
• La séquestration dans des solides (MOF ou Metal–organic framework) ou liquides synthétiques sophistiqués est nettement moins prometteuse et peu économique à très grande échelle. Le téréphtalate de chrome (ou « mil-101 ») a été considéré comme un candidat théorique. Il est testé en laboratoire ; le plus performant vers mi-2008 (il peut aussi stocker du méthane). Sous forme d'une poudre (verte) ; un mètre cube de ce produit peut absorber – à haute pression (50 bars) et à 25 °C – environ 400 m³ de dioxyde de carbone (25 % de plus que les matériaux antérieurement disponibles)[43]. Cependant les quantités considérables de chrome ou de métaux lourds à engager à très grande échelle dans de tels procédés, leur relative rareté (et donc leur coût) et leur grande toxicité constituent autant de handicaps techniques et financiers probablement insurmontables, sans parler du bilan énergétique total généralement négatif et des quantités de CO₂ prohibitives produites elles aussi par la synthèse de ces matériaux. Toutefois, des matériaux de synthèse à usage réversible peuvent s'avérer des outils industriels indispensables pour les opérations de séparation, de récupération et d'entreposage de courte durée du CO₂ dans les usines de capture.

• INRA, Stocker du carbone dans les sols agricoles de France ? (Expertise scientifique collective – rapport d’expertise sur demande du ministère de l’écologie et du développement durable), octobre 2002
• Alterre Bourgogne, Stockage naturel du carbone : état des lieux des connaissances et estimations régionales, octobre 2008
• Lal R. (2018) Management of Carbon Sequestration in Soil: 0. CRC Press, 473 p., eBook (ISBN 9781351082709)
• Douglas Fox, « Séquestration du CO₂ : La piste d'Oman », Pour la science, n^o 531,‎ janvier 2022, p. 64-73
• (en) Muhammad Ali, Nilesh Kumar Jha, Nilanjan Pala, Alireza Keshavarz, Hussein Hoteit et Mohammad Sarmadivaleh, « Recent advances in carbon dioxide geological storage, experimental procedures, influencing parameters, and future outlook », Earth-Science Reviews (en), vol. 225,‎ février 2022, article n^o 103895 (DOI 10.1016/j.earscirev.2021.103895, lire en ligne , consulté le 23 janvier 2022)

• Jean-François Soussana & al (2016) Séquestration de carbone dans le sol : les enjeux du ‘4/1000’ ; INRA, aux rencontres professionnelles de RITMO, PDF, 25 pages