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Comprendre la bioénergie avec la capture et le stockage du carbone
Contrairement aux sources d'énergie renouvelables classiques qui évitent simplement les émissions, le BECCS élimine activement le dioxyde de carbone de l'atmosphère en combinant la production d'énergie de biomasse et le piégeage géologique du carbone. Ce mécanisme à double action place le BECCS comme une technologie fondamentale dans les modèles d'évaluation intégrée qui tracent une trajectoire vers une limitation du réchauffement planétaire à 1,5 °C ou 2 °C par rapport aux niveaux préindustriels.
Les matières premières de la biomasse, telles que les cultures énergétiques, les résidus forestiers, les déchets agricoles et les algues, absorbent le CO2 atmosphérique par photosynthèse pendant leur phase de croissance. Lorsque la biomasse est brûlée pour la chaleur ou l'énergie, ou convertie en biocarburants liquides, le carbone initialement fixé par les usines est rejeté. Dans une installation de bioénergie conventionnelle, le carbone retourne dans l'atmosphère. Dans une installation de BECCS, le gaz de combustion est traité pour séparer et concentrer le CO2, qui est ensuite comprimé, transporté et injecté dans des formations géologiques profondes pour un stockage permanent. L'effet net est que la concentration de CO2 atmosphérique diminue avec chaque unité d'énergie produite, ce qui fait de BECCS la technologie d'énergie rare qui peut simultanément fournir de l'électricité ou du combustible tout en réduisant le fardeau total des gaz à effet de serre.
Comment fonctionne BECCS: une vue des systèmes
Production de matières premières de biomasse et chaînes d'approvisionnement
Les graminées vivaces cultivées à des fins déterminées, comme le graminées à herbe tournante et le malcanthus, offrent des rendements élevés par hectare, des besoins en intrants relativement faibles et la capacité de croître sur des terres agricoles marginales moins propices à la production alimentaire. Les cultures ligneuses à courte rotation, comme le peuplier et le saule, offrent des avantages similaires dans les zones tempérées, tandis que les résidus de palmiers à huile et de bagasses de canne à sucre sont pertinents dans les régions tropicales.
Pour que la BECCS puisse obtenir de véritables émissions nettes négatives, il faut décarboner l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement, c'est-à-dire utiliser des équipements électriques ou à propulsion par biomasse pour les opérations sur le terrain, optimiser la logistique pour minimiser les distances de transport et éventuellement colocaliser les installations de traitement de la biomasse à proximité de l'usine d'énergie et du site de stockage. La certification de la biomasse demeure une question controversée, certains groupes environnementaux faisant valoir que la dette carbone due aux changements d'affectation des terres peut prendre des décennies à rembourser.
Technologies de conversion
La combustion dans une centrale à biomasse spécialisée ou dans une centrale à charbon qui co-allume la biomasse est l'approche la plus mature. Le gaz de combustion contient généralement 3-15 % de CO2 en volume, selon la teneur en humidité de la matière première et les conditions de combustion. La capture après combustion à l'aide de solvants à base d'amines ou de sorbants avancés peut séparer le CO2 des autres composants de gaz de combustion dont les taux de capture dépassent 90 %. Cette approche bénéficie d'une expérience étendue dans le traitement du gaz naturel et de la récupération accrue du pétrole, bien que la pénalité énergétique pour la régénération des solvants demeure un facteur de coût important.
La gazéification offre une autre voie de conversion en chauffant la biomasse dans un environnement à oxygène contrôlé pour produire du syngaz, un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Le syngaz peut être brûlé dans une turbine ou un moteur pour la production d'énergie, ou encore traité par la synthèse Fischer-Tropsch pour produire des combustibles liquides comme le diesel et le carburant à réaction. La capture du carbone peut être appliquée soit au syngaz avant combustion, soit au gaz de combustion après combustion.
La digestion anaérobie des matières premières de biomasse humide comme le fumier, les déchets alimentaires et les boues d'épuration produit du biogaz, un mélange de méthane et de CO2. L'amélioration du biogaz au gaz naturel renouvelable de qualité pipelinière consiste à éliminer le CO2, qui est ensuite disponible pour la compression et le stockage.Cette voie est particulièrement intéressante parce qu'elle permet de relever les défis de la gestion des déchets tout en produisant un vecteur d'énergie stockable et expédiable.
Infrastructures de captage, de transport et de stockage
Une fois le CO2 séparé du processus de conversion de l'énergie, il doit être comprimé à un état de phase dense, généralement à des pressions supérieures à 73 bar, et transporté par pipeline, navire, camion ou rail vers un site de stockage approprié. Le transport par pipeline est l'option la plus rentable pour de grands volumes sur des distances allant jusqu'à plusieurs centaines de kilomètres, et des réseaux de pipelines de CO2 étendus existent déjà dans les régions où les opérations de récupération du pétrole sont améliorées.
Les aquifères salines offrent la plus grande capacité de stockage au monde, avec des estimations allant de 2 000 à 10 000 gigatonnes de stockage potentiel, dépassant de loin le volume nécessaire pour des scénarios de déploiement même agressifs de la BECCS. Toutefois, pour caractériser la capacité de stockage d'un site donné, il faut effectuer des relevés géologiques détaillés, procéder à des relevés de puits, à des imagerie sismique et à des modélisations de réservoirs pour confirmer que la formation possède une porosité, une perméabilité et une intégrité suffisantes. L'acceptation par le public du stockage géologique demeure un défi dans de nombreuses régions en raison de préoccupations liées à la sismicité induite et à la contamination des eaux souterraines, bien que des décennies d'expérience avec une récupération accrue du pétrole et plusieurs projets de stockage du CO2 aient démontré que des opérations sécuritaires sont réalisables avec une sélection appropriée des sites, une surveillance et une surveillance réglementaire.
Le potentiel d'atténuation du climat de la BECCS
Le sixième rapport d'évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat réaffirme que limiter le réchauffement de la planète à 1,5 °C sans dépassement ou dépassement limité exige que les émissions nettes de CO2 atteignent zéro net vers 2050, suivies par les émissions négatives nettes par la suite. La BECCS est la principale technologie d'émissions négatives dans la majorité des scénarios évalués par le GIEC, les niveaux de déploiement médians atteignant 10 à 15 gigatonnes de CO2 par an d'ici 2100.
La répartition régionale du potentiel du BECCS varie grandement selon la disponibilité des ressources en biomasse, la capacité de stockage géologique, l'infrastructure énergétique existante et l'appui aux politiques. Les États-Unis disposent de ressources abondantes en biomasse provenant de l'agriculture et de la foresterie, d'une capacité de stockage connue dans les aquifères salins et les champs de pétrole appauvris, et d'un cadre stratégique en expansion grâce au crédit d'impôt 45Q et à la loi sur la réduction de l'inflation.
L'efficacité climatique de la BECCS dépend également du calendrier considéré.Comme la régénération de la biomasse prend du temps pour résorber le carbone qui a été brûlé et stocké, l'avantage climatique net dépend du taux de croissance de la biomasse et de la permanence du stockage.Les cultures annuelles à croissance rapide offrent une absorption rapide du carbone, mais nécessitent une gestion intensive et peuvent avoir des émissions plus élevées du cycle de vie.Les systèmes vivaces prennent plus de temps à établir, mais offrent des avantages plus stables du cycle du carbone et des co-avantages écosystémiques supplémentaires tels que l'accumulation de carbone dans le sol, l'habitat de la biodiversité et l'amélioration de la qualité de l'eau.
Aspects économiques et sociaux
Trajectoires de coûts et compétitivité
La valeur des crédits d'élimination du carbone est devenue un facteur essentiel de l'économie des projets du BECCS. Le marché volontaire du carbone, qui permet aux entreprises de compenser leurs émissions résiduelles en achetant des crédits provenant de projets d'élimination vérifiés, a augmenté rapidement et devrait atteindre 50 milliards de dollars par année d'ici 2030. Les projets du BECCS qui peuvent démontrer une élimination durable, supplémentaire et vérifiable du carbone peuvent obtenir des prix élevés, en particulier de la part d'acheteurs qui cherchent à obtenir des compensations de qualité supérieure pour des engagements nets nuls.
Échanges d'utilisation des terres et sécurité alimentaire
Les études de modélisation suggèrent que l'élimination annuelle de CO2 par le biais de la BECCS nécessiterait de 300 à 800 millions d'hectares de terres pour des cultures énergétiques spécifiques, soit 15 à 60 % des terres cultivées mondiales actuelles. La concurrence entre les demandes de production alimentaire, de conservation de la biodiversité, de développement urbain et d'autres services écosystémiques rend très controversée l'attribution de ces vastes terres. Le débat sur les aliments et les carburants qui a émergé au cours de la première génération d'expansion des biocarburants est amplifiée dans le contexte de la BECCS parce que les enjeux sont plus élevés et que l'ampleur de la concurrence directe pour les terres agricoles de premier plan stimulerait les prix alimentaires, ce qui pourrait compromettre la sécurité alimentaire des populations vulnérables et pourrait entraîner un changement indirect dans l'utilisation des terres en déplaçant la production alimentaire vers les forêts et d'autres écosystèmes naturels, ce qui nuirait à tout ou partie des avantages climatiques.
Les stratégies visant à atténuer les conflits d'utilisation des terres comprennent l'accent mis sur les terres marginales et dégradées qui ne conviennent pas à la production alimentaire, l'intégration de la production de biomasse dans les systèmes agricoles existants par l'agroforesterie et la culture de couverture, et la hiérarchisation des déchets et des matières premières résiduelles qui évitent toute utilisation spécifique des terres. Les cultures biologiques permanentes cultivées sur des terres dégradées peuvent en fait rétablir la santé des sols, séquestrer des émissions de carbone supplémentaires dans les systèmes racinaires et fournir un habitat faunique par rapport à l'agriculture en rangée.
Engagement communautaire et licence sociale
Les projets de la BECCS, comme toutes les grandes infrastructures énergétiques, exigent une licence sociale.Les collectivités situées à proximité des installations de biomasse proposées, des routes de pipeline et des sites d'injection ont des préoccupations légitimes au sujet des impacts environnementaux locaux, des valeurs de propriété, des risques de sécurité et de la répartition des avantages économiques.Les processus d'engagement transparents qui offrent des possibilités significatives de participation et d'influence de la collectivité sur la conception des projets sont essentiels pour établir la confiance et éviter les oppositions qui peuvent retarder ou dérailler les projets.
Pour que le BECCS puisse réaliser son potentiel en tant que solution climatique, il doit être élaboré de manière à respecter et à autonomiser les collectivités locales plutôt que de les valoriser. Les projets qui intègrent le BECCS aux objectifs de développement économique local tels que la gestion des déchets, l'accès aux énergies renouvelables et la création d'emplois ruraux sont plus susceptibles d'obtenir un soutien durable de la communauté. Les cadres de gouvernance du BECCS doivent comprendre des mécanismes de surveillance continue, de gestion adaptative et de règlement des griefs afin de maintenir la responsabilité pendant le cycle de vie du projet, qui peut durer des décennies au-delà de la période opérationnelle.
Innovations technologiques et approches de la prochaine génération
Les systèmes BECCS de première génération basés sur le nettoyage par amine des gaz de combustion après combustion sont techniquement éprouvés mais font face à des défis persistants liés au coût, à l'efficacité énergétique et à la dégradation des solvants. Une vague d'innovation s'attaque à ces limites par le biais de progrès dans les sciences des matériaux, l'ingénierie des procédés et les stratégies d'intégration. Les sorbants solides tels que les cadres métal-organiques, les zéolites et la silice aminisée offrent le potentiel d'une énergie de régénération plus faible, de cycles plus rapides et d'une meilleure tolérance à l'humidité et aux contaminants.
L'intégration de la BECCS à d'autres procédés industriels permet d'améliorer l'efficacité globale du système et de créer une diversification des revenus.Les systèmes de chauffage urbain combinés qui fournissent des réseaux de chauffage urbain peuvent réduire le coût net de la capture en déplaçant les sources de chaleur fossiles. La BECCS intégrée aux usines de pâtes et papiers, aux cimenteries et aux installations sidérurgiques peut utiliser le CO2 capturé pour la fabrication sur place de produits chimiques, de combustibles et de matériaux de construction.Le concept de captage et d'utilisation du carbone, ou CCU, a attiré une attention considérable, bien que le marché des produits dérivés du CO2 soit actuellement petit par rapport aux volumes nécessaires à la stabilisation climatique.
Au-delà des BECCS classiques, de nouvelles approches sont en cours d'élaboration, qui combinent bioénergie, captage du carbone et capture directe de l'air dans des systèmes intégrés. La bioénergie avec capture et stockage directs de l'air, ou BEDAC, utilise la chaleur et l'énergie de la combustion de la biomasse pour entraîner un processus direct de captage de l'air qui élimine le CO2 de l'atmosphère ambiante, double efficacement l'élimination du carbone par unité de biomasse. Cette approche accroît l'efficacité de l'utilisation des terres de la biomasse pour les émissions négatives, mais ajoute de la complexité et des coûts.
Cadres politiques et mécanismes de marché
Les politiques traditionnelles en matière d'énergie renouvelable qui encouragent la production sans émission ne font pas de distinction entre l'énergie qui évite simplement les émissions et l'énergie qui produit des émissions négatives. Un prix du carbone, que ce soit par l'intermédiaire d'une taxe sur le carbone ou d'un système d'échange de droits d'émission, devrait idéalement s'appliquer aux émissions de CO2 biogéniques et accorder un crédit pour l'élimination nette réalisée par la BECCS. Le système d'échange de quotas d'émission de l'UE et le programme de plafonnement et d'échange de la Californie ont pris des mesures initiales dans cette direction, mais le traitement des émissions biogéniques demeure incohérent et complexe.
Le rôle des marchés internationaux du carbone, régi par l'article 6 de l'Accord de Paris, est particulièrement important pour la BECCS car il permet aux projets dans les pays à biomasse abondante et à capacité de stockage de générer des crédits pouvant être utilisés pour les contributions déterminées au niveau national d'autres pays. Il crée un mécanisme de financement des projets de la BECCS dans les pays en développement où l'environnement politique interne ne soutient pas encore la technologie. Toutefois, les règles relatives à la mise en œuvre de l'article 6 sont encore en voie d'élaboration et les préoccupations concernant l'additionnalité, la permanence et l'intégrité comptable doivent être résolues afin d'éviter le double comptage et de garantir que les crédits représentent un véritable avantage climatique.
L'initiative de réduction du carbone du ministère de l'Énergie des États-Unis, qui vise les coûts d'élimination durable du carbone inférieurs à 100 $ la tonne d'ici 2035, a permis d'affecter des fonds importants à la recherche, au développement et à la démonstration du BECCS. Le consentement du Royaume-Uni à la planification du projet Drax BECCS et le développement du groupe East Coast Cluster pour le transport et le stockage du CO2 représentent des jalons importants dans la création d'une infrastructure habilitante pour une industrie du BECCS. Le projet de Longship, qui comprend le captage du carbone d'une usine de traitement des déchets à énergie à contenu biogène, démontre comment le BECCS peut être intégré dans les systèmes existants de gestion des déchets.
Protection de l'intégrité et de la durabilité de l'environnement
La production de biomasse dédiée pour l'énergie nécessite de l'eau pour l'irrigation dans de nombreuses régions, en concurrence avec d'autres besoins dans les zones soumises à des contraintes hydriques. La combustion de la biomasse libère des polluants atmosphériques, y compris des particules, des oxydes d'azote et des composés organiques volatils, qui ont des incidences sur la santé humaine qui doivent être gérées par des mesures de réduction des émissions et un emplacement approprié. Les évaluations du cycle de vie qui comprennent ces dimensions environnementales sont essentielles pour s'assurer que le déploiement de la BECCS ne cause pas de dommages environnementaux qui l'emportent sur ses avantages climatiques.
La conversion des écosystèmes naturels comme les forêts, les prairies et les tourbières en plantations d'énergie monoculture aurait des effets négatifs graves sur la biodiversité qui ne pourraient être justifiés par les avantages climatiques. Inversement, la création de graminées vivaces ou de cultures ligneuses à courte rotation sur des terres agricoles dégradées qui ont perdu une grande partie de sa biodiversité originale peut améliorer la qualité de l'habitat par rapport à l'état de référence. La conception spatiale des paysages bioénergétiques, y compris les corridors d'habitat, les zones tampons et la diversité des types de cultures, peut améliorer les résultats en matière de biodiversité tout en maintenant le rendement de la biomasse.
La persistance du stockage géologique du carbone est une dimension critique de l'intégrité environnementale du BECCS. Le CO2 injecté dans des formations géologiques appropriées est piégé par de multiples mécanismes physiques et chimiques qui deviennent plus sûrs au fil du temps. La dissolution dans l'eau de formation crée une saumure stable et dense qui coule au fond du réservoir. Les réactions de précipitation minérale avec le calcium, le magnésium et les oxydes de fer forment des minéraux carbonés stables qui immobilisent définitivement le CO2. Le risque de fuite par des failles naturelles, des puits hérités ou des joints surpressions diminue avec le temps au fur et à mesure que ces mécanismes de piégeage s'activent.
Le rôle futur de la BECCS dans le portefeuille mondial de la zone de Net
L'intégration de la BECCS dans une stratégie globale de zéro net doit d'abord être guidée par le principe de la décarbonisation universelle, l'élimination du carbone étant utilisée pour traiter les émissions résiduelles des secteurs difficiles à éliminer et pour réduire l'héritage historique de l'excès de CO2 atmosphérique. La dépendance de la BECCS en tant que substitut aux réductions profondes des émissions dans les secteurs de l'énergie, des transports, de l'industrie et des bâtiments serait à la fois économique et écologique.
La diversité technologique est un important principe de gestion des risques pour l'élimination du carbone. La BECCS n'est pas une puce d'argent et ne devrait pas non plus l'être. La capture directe d'air avec stockage géologique, l'amélioration des conditions météorologiques, l'amélioration de l'alcalinité des océans, le biochar et le piégeage du carbone dans le sol sont des approches complémentaires avec des structures de coûts différentes, des avantages mutuels, des profils de risque et des caractéristiques d'acceptation du public.
Les premiers projets avancent dans des pays qui disposent d'un environnement politique favorable et de ressources suffisantes, mais le rythme doit s'accélérer de façon spectaculaire pour atteindre les niveaux de déploiement prévus dans les scénarios climatiques. L'Institut mondial de la CCS suit plus de 50 installations commerciales de CCS en exploitation ou en construction, dont une part croissante comprend la capture biogénique de CO2.Pour atteindre l'échelle de gigatonne de l'élimination annuelle, il faudra construire des centaines d'installations de BECCS, développer des réseaux régionaux de transport de CO2, caractériser et autoriser des dizaines de grands sites de stockage et établir des chaînes d'approvisionnement robustes pour la biomasse durable.
Les arguments exagérés sur le potentiel de la BECCS peuvent créer un risque moral s'ils encouragent la complaisance à l'égard des réductions des émissions, tandis que les évaluations trop pessimistes peuvent décourager les investissements dans une technologie qui peut s'avérer nécessaire à la stabilisation du climat. Une perspective équilibrée reconnaît que la BECCS ne se substitue pas à une décarbonisation agressive à court terme, mais qu'elle constitue probablement un complément essentiel à celle-ci, en particulier pour s'attaquer aux émissions résiduelles difficiles à éliminer de secteurs comme l'aviation, la production de ciment et l'agriculture.