Pour ramener la concentration de CO2 au niveau visé de 1988 - c'est-à-dire à 350 ppm (« parties par million ») -, il s'agit d'éliminer de l'atmosphère environ 400 milliards de tonnes de carbone, selon les estimations. Une quantité énorme qui correspond à environ 1'500 milliards de tonnes de CO2. Des chercheurs de l'Empa ont maintenant calculé que cet excédent de carbone pourrait être stocké dans des matériaux de construction comme le béton jusqu'au milieu du siècle prochain. « Ces calculs se basent sur l'hypothèse qu'après 2050, il y aura suffisamment d'énergie renouvelable disponible pour éliminer le CO₂ de l'atmosphère - une entreprise très gourmande en énergie. Cette hypothèse nous permet d'analyser, à l'aide de différents scénarios, dans quelle mesure le concept de notre initiative « Mining the Atmosphere » est réaliste et efficace », explique Pietro Lura, directeur du département Béton et asphalte de l'Empa. Cette initiative de recherche à grande échelle a pour objectif non seulement de capturer le CO2 excédentaire, mais aussi de l'utiliser comme une matière première précieuse.

Les matériaux de construction sont essentiels

L'énergie renouvelable excédentaire est utilisée pour convertir le CO₂ en méthane ou en méthanol, qui sont ensuite transformés en polymères, en hydrogène ou en carbone solide. « Même si l'on dispose de suffisamment d'énergie renouvelable, la question centrale reste de savoir comment stocker ces énormes quantités de carbone à long terme. Le béton semble prédestiné à cet effet, car il peut absorber d'énormes quantités », explique Lura. Les chercheurs ont donc comparé la masse des matériaux utilisés dans le monde, comme le béton, l'asphalte ou les matières plastiques, avec la quantité de carbone qui doit être éliminée de l'atmosphère - y compris les émissions difficilement évitables. « La masse de matériaux de construction nécessaire dans le monde dépasse de loin l'excédent de carbone dans l'atmosphère. Cependant, la question de savoir comment incorporer rapidement et efficacement le carbone dans ces matériaux sans détériorer leurs propriétés reste un défi », conclut Lura.

Par rapport à d'autres mesures de réduction du CO₂ telles que les méthodes de stockage souterrain, l'approche « Mining the Atmosphere » présente plusieurs avantages : Elle assure une stabilité à long terme ainsi qu'une haute densité de stockage du carbone et permet une mise en œuvre décentralisée. Parallèlement, elle permet de remplacer les matériaux de construction traditionnels émettant du CO₂. « Le carbone doit être intégré dans des matériaux stables, car un stockage direct peut être dangereux - par exemple en raison du risque d'incendie. Idéalement, ces matériaux de construction enrichis en carbone devraient être utilisés pendant plusieurs cycles de recyclage avant d'être finalement mis en décharge en toute sécurité », explique Lura.

Selon le chercheur de l'Empa, ce concept devrait non seulement contribuer à la réduction du CO₂, mais aussi permettre une économie de séquestration du carbone qui présente des avantages à la fois écologiques et économiques. « Le carbone de l'atmosphère peut par exemple être utilisé pour la production de polymères, de bitume pour l'asphalte ou de matériaux céramiques comme le carbure de silicium. En outre, d'autres matériaux de haute qualité tels que les fibres de carbone, les nanotubes de carbone et le graphène pourraient rendre l'ensemble du processus économiquement viable - le béton représentant clairement la plus grande part du stockage de carbone ».

Des roches dures en carbone comme accélérateur

Combien de temps faudrait-il donc pour éliminer tout le CO₂ excédentaire de l'atmosphère ? Dans un scénario optimal, les matériaux de construction tels que le béton pourraient absorber jusqu'à dix gigatonnes de carbone par an. Cependant, ce potentiel ne serait pleinement exploité qu'à partir de 2050, lorsque l'énergie renouvelable sera suffisante après la transition énergétique. Outre les 400 gigatonnes de carbone excédentaires, il faudrait en outre éliminer au moins 80 gigatonnes d'émissions difficilement évitables d'ici 2100. Selon les différents scénarios, il serait ainsi possible, en l'espace de 50 à 150 ans, de loger entièrement l'excédent de CO₂ dans des matériaux de construction - ce qui ramènerait le niveau de CO₂ au niveau visé de 350 ppm.

La clé des scénarios les plus optimistes réside dans la production de carbure de silicium, qui peut être utilisé comme charge dans les matériaux de construction. « Le carbure de silicium présente d'énormes avantages, car il fixe le carbone pratiquement pour toujours et possède d'excellentes propriétés mécaniques. Toutefois, sa production est extrêmement gourmande en énergie et représente l'un des plus grands défis, tant en termes de rentabilité que de mise en œuvre durable », explique Pietro Lura.

Rien qu'avec du carbone sous forme de granulats poreux, il faudrait plus de 200 ans pour éliminer tout l'excédent de carbone anthropique. Une combinaison de carbone poreux et de carbure de silicium s'avère donc être une solution viable. Cela permettrait de stocker de grandes quantités de carbone dans le béton, qui serait en outre plus durable et plus stable que le béton traditionnel. « L'objectif devrait néanmoins être d'éliminer le plus de CO₂ possible de l'atmosphère chaque année, afin de parvenir, avec d'autres mesures, à 350 ppm de CO2 dans un délai réaliste. En même temps, il est crucial de minimiser continuellement nos émissions pour que le processus de récupération ne soit pas vain », conclut le chercheur de l'Empa.

Initiative de recherche « Mining the Atmosphere »
Pour atteindre les objectifs climatiques et éviter des changements irréversibles du système climatique, il ne suffit pas de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Il est tout aussi nécessaire d'éliminer activement l'excédent de CO₂ de l'atmosphère. C'est précisément là qu'intervient l'initiative de recherche à grande échelle de l'Empa, « Mining the Atmosphere ». L'objectif est de créer un tout nouveau modèle économique mondial et un secteur industriel associé qui utilise le CO₂ comme matière première de l'avenir. Pour ce faire, le CO₂ est d'abord transformé en produits chimiques de base tels que le méthane ou le méthanol. Ceux-ci sont ensuite transformés pour remplacer les matériaux de construction traditionnels et les produits pétrochimiques. À la fin de leur cycle de vie, ces matériaux riches en carbone seront stockés dans des décharges spéciales afin de fixer durablement le carbone. Grâce au méthane synthétique, il sera en outre possible de transporter de l'énergie depuis des endroits ensoleillés vers des pays souffrant d'un déficit énergétique en hiver.

Selon les chercheurs de l'Empa, la mise en œuvre nécessite toutefois de nouveaux progrès dans la recherche sur les matériaux et le développement des processus, notamment pour utiliser de manière optimale les énergies renouvelables produites de manière décentralisée et fluctuante. En outre, il est nécessaire de se concentrer sur de nouveaux modèles commerciaux, des incitations économiques et des conditions-cadres réglementaires appropriées pour qu'une société captant le CO₂ devienne une réalité.