Le CO₂ capturé n’est pas nécessairement destiné au stockage géologique. Il peut aussi être utilisé directement ou devenir une matière première pour fabriquer des carburants, des produits chimiques, des polymères ou des matériaux de construction. Cette approche, appelée CCU (Carbon Capture and Utilisation), ouvre une autre voie pour gérer et valoriser les flux de carbone issus des activités industrielles.
Certaines formes de valorisation du CO₂ sont déjà établies, tandis que d’autres, comme les carburants synthétiques ou le béton carbonaté, poursuivent leur développement. Leur intérêt climatique varie toutefois selon le procédé, l’origine du CO₂ et la durée pendant laquelle le carbone reste intégré au produit.
CCS, CCU, CCUS : quelle différence?
Avant d'examiner les produits issus du CO₂ capturé, il faut comprendre les différentes voies qui permettent de le gérer ou de le valoriser.
Ce que signifie « utiliser » le CO₂
Le CO₂ capturé peut emprunter deux grandes voies. La première consiste à l'utiliser directement, sans transformation chimique. La seconde consiste à le convertir en de nouveaux produits.
Les usages directs incluent notamment :
Les boissons gazéifiées et les serres agricoles enrichies en CO₂ pour stimuler la croissance des plantes.
La récupération assistée de pétrole (Enhanced Oil Recovery, ou EOR), où le CO₂ est injecté dans des réservoirs afin de faciliter l'extraction de pétrole.
L'utilisation du CO₂ supercritique comme solvant dans certains procédés industriels.
Les usages par conversion chimique permettent quant à eux de produire des carburants synthétiques, des produits chimiques, des matériaux de construction ou encore des polymères. L'ICEF (Innovation for Cool Earth Forum) définit l'utilisation du CO₂ comme son emploi pour produire des biens ou des services ayant une valeur économique. [3] L'IEA inclut également dans le CCU les situations où le CO₂ est utilisé, notamment pour produire des carburants et des produits chimiques. [1]
CCS vs CCU : deux logiques complémentaires
Le CCS (Carbon Capture and Storage) désigne le captage du CO₂ suivi de son stockage permanent, généralement dans des formations géologiques profondes. L'objectif est d'empêcher durablement le CO₂ capté d'atteindre l'atmosphère.[1]
Le CCU, à l'inverse, traite le CO₂ comme une ressource. Il peut être utilisé directement ou converti en produits commercialisables. Selon l'application, le carbone peut rester piégé durablement ou retourner dans l'atmosphère après utilisation. Le terme CCUS (Carbon Capture, Utilisation and Storage) regroupe les approches de captage, d'utilisation et de stockage du CO₂.
La suite de cet article se concentre sur le volet CCU : les produits que le CO₂ permet concrètement de fabriquer et le rôle que ces différentes voies peuvent jouer dans la transition énergétique.
Un panorama des produits fabriqués à partir du CO₂
La valorisation du CO₂ capturé est déjà utilisée dans plusieurs secteurs industriels. Une analyse publiée en 2024 par OGCI (Oil and Gas Climate Initiative) estime la demande mondiale à environ 250 Mt de CO₂ par an, principalement pour la fabrication d’urée et la récupération assistée de pétrole.[9] Parallèlement à ces usages établis, plusieurs voies de conversion permettent d’intégrer le CO₂ dans des carburants, des produits chimiques, des polymères ou des matériaux de construction.
Les cinq grandes familles de produits dérivés du CO₂
Les applications du CCU couvrent plusieurs secteurs. L’IEA les regroupe en cinq grandes catégories : les carburants et intermédiaires chimiques, les produits chimiques, les matériaux de construction issus de la minéralisation, les matériaux produits à partir de déchets industriels et les usages biologiques, notamment dans les serres. [5] Les National Academies identifient également plusieurs catégories de produits pouvant contribuer au développement du CCU, notamment les matériaux de construction, les polymères, les carburants et les produits chimiques. Leur potentiel varie selon les volumes de marché, les besoins en infrastructures et la durée pendant laquelle le carbone reste intégré aux produits. [4]
Tableau 1 : Les cinq grandes catégories d'utilisation du CO₂
| Famille d'applications | Exemples de produits | Maturité |
|---|---|---|
| Carburants et intermédiaires | Méthanol, méthane, carburants d'aviation | Démonstration à commercialisation selon le procédé |
| Produits chimiques | Urée, acide formique, polycarbonates | Établie à émergente selon le produit |
| Matériaux de construction issus de minéraux | Béton carbonaté, agrégats | Démonstration à commercialisation |
| Matériaux issus de déchets industriels | Agrégats et matériaux minéralisés | Démonstration à commercialisation selon le procédé |
| Usages biologiques | Serres enrichies en CO₂ | Commercialement établi pour les serres |
Sources : [2], [5], [7]
Les volumes actuels : deux usages dominent largement
Selon une analyse publiée en 2024 par l'OGCI et le Boston Consulting Group, la demande mondiale de CO₂ destiné à diverses applications était estimée à environ 250 Mt par an. La fabrication d'urée et la récupération assistée de pétrole représentaient les deux principaux débouchés, tandis que les nouvelles voies de conversion occupaient une place plus limitée. [9] Plusieurs applications sont toutefois en développement, notamment les carburants synthétiques, les produits chimiques et les matériaux de construction à base de CO₂. [2]
Les perspectives de croissance varient selon les technologies et les scénarios envisagés. Une analyse publiée en 2024 estime que l’utilisation mondiale de CO₂ pourrait atteindre environ 430 à 840 Mt par an d’ici 2040.[9] Cette fourchette reflète notamment les incertitudes entourant le développement commercial des différentes filières et la part du CO₂ capturé qui sera valorisée plutôt que stockée.
Trois filières du CCU en développement
Au-delà des usages industriels déjà établis, plusieurs voies de valorisation du CO₂ font l'objet de travaux de recherche et de projets commerciaux. Parmi elles, les carburants synthétiques, les matériaux de construction carbonatés et les polymères à base de CO₂ illustrent trois approches différentes. Elles se distinguent autant par leurs procédés de conversion que par la durée pendant laquelle le carbone reste intégré au produit final.
Les carburants synthétiques (e-fuels / Power-to-X)
Le CO₂ peut servir de matière première pour produire plusieurs molécules énergétiques, notamment du méthane, du méthanol ou certains carburants d'aviation. [2] Ces procédés reposent généralement sur la combinaison du CO₂ avec de l'hydrogène, idéalement produit à partir d'une électricité à faibles émissions.
Parmi les voies thermochimiques étudiées, on retrouve :
Hydrogénation directe du CO₂, notamment pour produire du méthanol.
La conversion indirecte par RWGS (Reverse Water-Gas Shift), qui produit du monoxyde de carbone pouvant ensuite être utilisé pour la synthèse de carburants ou d'intermédiaires chimiques.
D'autres réactions thermocatalytiques, permettant notamment d'obtenir de l'acide formique ou des molécules plus complexes, dont certains hydrocarbures issus de procédés Fischer-Tropsch. [6]
Dans ces applications, le CO₂ fournit le carbone nécessaire à la fabrication de molécules énergétiques à partir d'hydrogène, notamment de carburants liquides ou gazeux pouvant être plus faciles à stocker, à transporter et à utiliser dans certaines infrastructures existantes. [2]
Le béton carbonaté : minéraliser le CO₂ dans les matériaux
Dans le secteur de la construction, le CO₂ capturé peut être utilisé pour former des carbonates solides au sein de certains matériaux. Il existe notamment deux approches :
L'injection dans le béton frais, pendant le malaxage.
La cure au CO₂, où des éléments préfabriqués sont exposés à une atmosphère enrichie en CO₂.[7]
Le CO₂ réagit alors avec certains composés du béton pour former des carbonates solides, notamment du carbonate de calcium (CaCO₃). Une partie du carbone demeure ainsi intégrée au matériau sur de longues périodes.
La minéralisation se distingue surtout par son potentiel de stockage durable du carbone. Les National Academies classent le béton et les agrégats carbonatés parmi les produits de catégorie Track 1, définis par une durée de vie supérieure à 100 ans et une capacité de rétention prolongée du carbone. [4]
L'ICEF identifie pour sa part le ciment et les agrégats parmi les débouchés importants du CCU à court terme, notamment en raison des volumes considérables de matériaux utilisés dans le secteur de la construction et de la stabilité des carbonates formés.[3]
Polymères et produits chimiques à base de CO₂
La fabrication de polymères et de produits chimiques constitue une autre voie de valorisation du CO₂ capturé. Dans certains procédés industriels, le CO₂ peut remplacer une partie des matières premières fossiles et servir à produire des composants entrant dans la fabrication de plastiques, de résines, de mousses et d'autres matériaux.[5]
Bien que certains procédés soient déjà exploités commercialement, la valorisation du CO₂ dans l'industrie chimique demeure une filière émergente à grande échelle. Son développement repose notamment sur l'amélioration des technologies de conversion, l'accès aux matières premières et l'adaptation des infrastructures de production.
À plus long terme, ces avancées pourraient permettre de diversifier les sources de carbone utilisées par l'industrie. Dans un scénario étudié par les National Academies, le CO₂ pourrait fournir environ 25 % de la demande en carbone pour les produits chimiques et matériaux dérivés d'ici 2050. Cette perspective reste toutefois conditionnelle au développement des technologies et des chaînes d'approvisionnement nécessaires.[8]
Les molécules pouvant être produites à partir du CO₂ peuvent être regroupées selon le nombre d'atomes de carbone qu'elles contiennent :
Produits C1, contenant un seul atome de carbone : méthanol (CH₃OH), méthane (CH₄), monoxyde de carbone (CO), acide formique (HCOOH) et urée.
Produits C2+, contenant deux atomes de carbone ou davantage : certains alcools, acides carboxyliques, hydrocarbures et autres molécules plus complexes. [6]
Tableau 2 : Trois filières du CCU : mécanisme, produits et permanence du carbone
| Filière | Mécanisme principal | Produits clés | Permanence du carbone |
|---|---|---|---|
| Carburants synthétiques | Conversion du CO₂ avec de l'hydrogène | Méthanol, méthane, carburants d'aviation | Courte, produits Track 2 |
| Béton carbonaté | Minéralisation sous forme de carbonates | Béton, agrégats | Potentiellement durable, produits Track 1 |
| Polymères et produits chimiques | Synthèse chimique | Plastiques, résines, intermédiaires chimiques | Variable |
Sources : [2] [4] [7]
Du captage à la valorisation du carbone
La valorisation du CO₂ capturé ouvre de nouvelles perspectives pour les secteurs de la chimie, de l'énergie et des matériaux. En transformant le CO₂ en matière première, le CCU permet d'explorer de nouvelles voies de production et de diversifier les sources de carbone utilisées par l'industrie.
Si les bénéfices climatiques varient selon les procédés, les ressources énergétiques mobilisées et la durée de rétention du carbone, les progrès technologiques pourraient favoriser le développement de nouvelles applications industrielles.
À mesure que ces filières évoluent, le CCU pourrait contribuer à une utilisation plus diversifiée des ressources carbonées, en complément des efforts de réduction des émissions et des solutions de stockage géologique du CO₂.
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References
[1] International Energy Agency. "About CCUS." IEA, 7 Apr. 2021, https://www.iea.org/reports/about-ccus.
[2] International Energy Agency. Putting CO₂ to Use: Creating Value from Emissions. IEA, 25 Sept. 2019, https://www.iea.org/reports/putting-co2-to-use.
[3] Sandalow, David, et al. Carbon Dioxide Utilization (CO₂U): ICEF Roadmap 2.0. Innovation for Cool Earth Forum, Nov. 2017, https://icef.go.jp/wp-content/themes/icef_new/pdf/roadmap/icef2017_roadmap1.pdf.
[4] National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Carbon Dioxide Utilization Markets and Infrastructure: Status and Opportunities: A First Report. National Academies Press, 2023, https://nap.nationalacademies.org/read/26703/chapter/2.
[5] International Energy Agency. Putting CO₂ to Use: Creating Value from Emissions. IEA, Sept. 2019, https://iea.blob.core.windows.net/assets/50652405-26db-4c41-82dc-c23657893059/Putting_CO2_to_Use.pdf.
[6] National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. "Chemical CO₂ Conversion to Fuels, Chemicals, and Polymers." Carbon Utilization Infrastructure, Markets, and Research and Development: A Final Report, National Academies Press, 2024, https://www.nationalacademies.org/read/27732/chapter/9.
[7] Rocky Mountain Institute. "Carbon as a Service: Sequestering CO₂ in Concrete." Concrete Solutions Guide, RMI, 2021, https://rmi.org/app/uploads/2021/08/ConcreteGuide5.pdf.
[8] National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. "Priority Opportunities for CO₂- or Coal Waste–Derived Products in a Net-Zero Emissions Future." Carbon Utilization Infrastructure, Markets, and Research and Development: A Final Report, National Academies Press, 2024, https://www.nationalacademies.org/read/27732/chapter/4.
[9] Oil and Gas Climate Initiative, with Boston Consulting Group. Carbon Capture and Utilization as a Decarbonization Lever. Oil and Gas Climate Initiative, Apr. 2024, https://www.ogci.com/wp-content/uploads/2024/05/CCU-Report-vf.pdf.
