Carburants Alternatifs – Comment la Lumière Peut Aider à Réaffecter le Dioxyde de Carbone

L’une des principales causes du changement climatique est le dioxyde de carbone (CO2). Un gaz à effet de serre important, le CO2 est le résultat de la combustion de combustibles fossiles (tels que le pétrole, le charbon et le gaz naturel). Il se produit également naturellement par la respiration humaine, la respiration des plantes et les éruptions volcaniques.

Les incendies de forêt sont une autre raison importante pour l’émission de CO2, avec une estimation de 2 170 millions de tonnes métriques émises en 2023 seulement.

Une nouvelle étude a constaté que les émissions de CO2 provenant des incendies de forêt ont en réalité augmenté de 60 % à l’échelle mondiale au cours des 23 dernières années.

Menée par l’Université de l’Est de l’Angleterre (UEA), l’étude a regroupé les régions du monde en « pyromes », qui sont des régions où les modèles d’incendie de forêt sont affectés par des contrôles climatiques, humains et environnementaux similaires.

Avec cela, l’étude a examiné les différences entre les incendies de forêt et les incendies non forestiers, ce qui révèle les facteurs clés qui entraînent l’augmentation récente de l’activité des incendies de forêt.

Selon l’étude, les émissions de CO2 provenant des incendies dans l’un des plus grands pyromes ont presque triplé entre 2001 et 2023. Ces pyromes, qui couvrent les forêts boréales de l’Eurasie et de l’Amérique du Nord, abritent certaines des forêts boréales les plus sensibles au climat du nord.

Des augmentations significatives ont été constatées plus largement à travers les forêts extratropicales, ce qui représente un demi-milliard de tonnes de dioxyde de carbone supplémentaires chaque année. L’épicentre des émissions de CO2 se déplace également vers les régions extratropicales, loin des forêts tropicales.

L’augmentation des émissions a été associée à une augmentation des conditions météorologiques favorables aux incendies, telles que les conditions chaudes et sèches observées pendant les vagues de chaleur et les sécheresses. De plus, l’augmentation des taux de croissance des forêts a conduit à plus de combustibles végétaux. Ces tendances sont encore renforcées par l’augmentation des températures dans les latitudes nordiques élevées, qui se produit à 2 fois le taux auquel cela se produit au niveau mondial.

Non seulement il y a eu une augmentation substantielle de l’étendue des incendies de forêt, mais leur gravité a également augmenté au cours des deux dernières décennies.

Le taux de combustion du carbone, qui mesure la gravité des incendies en fonction du carbone émis par unité de surface brûlée, a augmenté de jusqu’à 50 % à travers les forêts mondiales au cours de cette période. Selon le principal auteur, le Dr Matthew Jones, du Tyndall Centre for Climate Change Research à l’UEA :

“Les augmentations de l’étendue et de la gravité des incendies de forêt ont conduit à une augmentation spectaculaire de la quantité de carbone émise par les incendies de forêt dans le monde. Des changements frappants dans la géographie mondiale des incendies sont également en cours, et ils sont principalement expliqués par les impacts croissants du changement climatique dans les forêts boréales du monde.”

L’Impact des Incendies de Forêt sur les Efforts de Séquestration du Carbone

Des scientifiques du monde entier se sont réunis pour cette nouvelle étude et ont averti que, pour éviter la croissance continue des incendies de forêt, nous devons aborder les principales raisons du changement climatique.

“Pour protéger les écosystèmes forestiers critiques de la menace accrue des incendies de forêt, nous devons maintenir le réchauffement climatique à distance, et cela souligne pourquoi il est si important de faire des progrès rapides vers des émissions nettes nulles.”

– Dr. Jones, un boursier de recherche indépendant du NERC

Les forêts elles-mêmes jouent un rôle crucial dans la réalisation des objectifs climatiques internationaux. Elles absorbent le dioxyde de carbone de l’atmosphère et le stockent sous forme de biomasse, de bois mort, de litière et de sols, ce qui est appelé séquestration du carbone, et réduit les taux de réchauffement climatique.

Comme tel, les gouvernements du monde entier ont introduit des programmes de reboisement et de reforestation pour compenser les émissions de CO2 humaines, en particulier des secteurs tels que l’aviation et certaines autres industries. Le succès de ces programmes dépend cependant du stockage permanent du carbone dans les forêts, qui est menacé par les incendies de forêt.

Avec des incendies extratropicaux qui émettent déjà un demi-milliard de tonnes de CO2 de plus qu’en 2001 et l’effet à long terme dépendant de la récupération des forêts, des incendies de forêt plus répandus et plus graves mettent les émissions hors équilibre avec le carbone capturé par la récupération post-incendie. Le Dr Jones a déclaré :

“La tendance abrupte vers des émissions d’incendies de forêt extratropicales plus élevées est un avertissement de la vulnérabilité croissante des forêts, et cela pose un défi important pour les objectifs mondiaux de lutte contre le changement climatique.”

Il a également déclaré que, après des incendies graves, les forêts sont connues pour rebondir mal. Par conséquent, nous devons prêter une attention particulière à la manière dont l’augmentation de la gravité des incendies affectera le stockage de carbone des forêts dans les années à venir.

Dans tout cela, il y a eu une réduction du brûlage des savanes à feu tropical, avec des études antérieures montrant que, depuis 2001, la superficie brûlée par les incendies de forêt et les incendies non forestiers a diminué d’un quart à l’échelle mondiale.

Face à ce contexte de réduction du brûlage dans les prairies et les savanes, l’étude, selon ses auteurs, montre que les incendies continuent de se produire de plus en plus où ils ne devraient pas, c’est-à-dire que les forêts ont masqué l’augmentation de l’étendue et de la gravité des incendies de forêt. Cela présente “la plus grande menace pour les personnes et pour les réserves de carbone vitales”, a déclaré le Dr Jones.

Ces nouvelles observations ont été débloquées avec l’aide de l’apprentissage automatique, qui a été utilisé pour regrouper les écorégions forestières en 12 pyromes différents. Comme nous l’avons partagé récemment, les modèles d’IA sont utilisés de manière extensive pour détecter les incendies de forêt tôt. Le potentiel énorme de l’IA et de l’apprentissage automatique est amélioré par la base de données croissante des occurrences d’incendies.

Dans la nouvelle étude, l’utilisation de l’IA pour regrouper a permis aux scientifiques d’isoler les effets du changement climatique des autres facteurs tels que la productivité de la végétation et l’utilisation des terres. De plus, comprendre ce qui cause les incendies dans ces différents pyromes est important pour développer des stratégies efficaces pour prédire et atténuer les incendies de forêt et protéger les forêts.

“Un financement important est nécessaire pour soutenir des programmes stratégiques de gestion des forêts, d’engagement des parties prenantes et d’éducation du public, qui représentent un changement significatif de la stratégie de gestion des incendies de forêt d’une approche principalement réactive à une approche de plus en plus proactive.”

– Dr. Jones

Un Nouveau Front : Transformer le CO2 en Produits Utiles

En plus de la séquestration du carbone, une autre façon d’atténuer les effets négatifs du CO2 sur l’environnement est de le convertir en produits utiles.

Cela inclut la conversion du CO2 en nanofibres de carbone, qui peuvent être utilisées pour renforcer les matériaux de construction, en le combinant avec de l’hydrogène pour produire des combustibles tels que le méthane, le méthanol, l’essence et les carburants d’aviation, et en convertissant le CO2 en produits chimiques et autres produits tels que des produits pharmaceutiques, des additifs alimentaires et des parfums.

Une nouvelle étude a amélioré cette conversion de CO2 en produits utiles en combinant la lumière visible et l’électrochimie.

Alors qu’ils le faisaient, l’équipe a découvert une découverte surprenante que la lumière visible améliore considérablement la sélectivité, qui est un attribut chimique important. Cette découverte ouvre de nouvelles voies pour la conversion de CO2 ainsi que pour de nombreuses autres réactions chimiques utilisées dans la recherche sur les catalyseurs et la fabrication de produits chimiques.

Transformer le CO2 en un vecteur d’énergie au lieu de déchets ou d’émissions grâce au recyclage est un excellent moyen de réduire le changement climatique. Ici, le dioxyde de carbone est converti en combustibles, produits chimiques, matériaux et énergie thermique.

Certaines façons dont le CO2 est recyclé incluent la photosynthèse artificielle, un processus dans lequel l’énergie solaire est utilisée pour synthétiser des produits chimiques à l’aide du CO2 comme matière première. Ensuite, il y a la conversion électrochimique, où l’électricité est utilisée pour convertir le CO2 en produits chimiques tels que l’éthanol, l’acide acétique ou l’acide formique.

La nouvelle étude a utilisé la réduction électrochimique pour recycler le dioxyde de carbone en produits utiles. Dans ce processus, Prashant Jain, professeur de chimie à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, a expliqué qu’un flux de gaz CO2 traverse une cellule d’électrolyse qui décompose le dioxyde de carbone et l’eau en monoxyde de carbone toxique (CO) et en hydrogène. Ces nouveaux gaz peuvent ensuite être utilisés pour créer de nouveaux produits hydrocarbonés.

Cependant, Jain souligne que cette réaction est plutôt lente, et nous avons besoin de grandes électrodes pour ce processus. Ces électrodes contiennent une grande quantité de matière catalytique coûteuse telle que le cuivre ou l’or.

Compte tenu de ces obstacles, Jan, ainsi que son ancien étudiant diplômé Francis Alcorn, ont cherché des moyens d’accélérer le processus qui nécessiterait moins de matière catalytique, ce qui le rendrait ainsi “une option plus viable pour l’industrie des carburants alternatifs”.

Utilisation de la Lumière Visible pour Améliorer l’Efficiacité de Conversion du CO2

Sous la nouvelle méthode, l’équipe a combiné la lumière visible avec des électrodes recouvertes de particules extrêmement petites d’alliage d’or et de cuivre. Cela permet la réduction du CO2 à un taux accru et une sélectivité plus contrôlée par rapport aux méthodes conventionnelles.

Jain a expliqué que :

“(Les nouvelles électrodes) agissent comme de petites antennes qui recherchent des photons dans la plage de lumière visible et les couplent avec le chemin de réaction chimique.”

Afin d’améliorer la conductivité de ces électrodes, l’équipe les a immergées dans une solution d’eau, de CO2 et d’un électrolyte. Ils ont ensuite appliqué une tension aux électrodes tout en éclairant leur surface avec un laser à lumière visible.

Cela a abouti à une réaction qui produit rapidement de l’hydrogène à partir de la division des molécules d’eau et du monoxyde de carbone, qui provient de la division du dioxyde de carbone.

Alors que l’équipe était “très enthousiaste” de constater le saut de productivité lors de l’utilisation de la lumière visible, ce qui n’a pas été prévu était que la lumière visible aurait un impact si important sur la sélectivité chimique — que Jain a déclaré “est l’avancée importante ici.”

Maintenant, qu’est-ce que cette sélectivité ici ? Eh bien, dans la catalyse, la sélectivité chimique est la capacité d’une réaction chimique à favoriser un type de molécule ou un chemin plutôt qu’un autre.

Dans cette étude particulière, une réaction de division de l’eau qui forme du gaz hydrogène a été trouvée pour être sélectivement améliorée par l’utilisation de la lumière. Jain a déclaré :

“Les résultats suggèrent que la lumière visible offre une opportunité unique pour ajuster le rapport entre le monoxyde de carbone et le gaz hydrogène produit, un facteur crucial pour la production industrielle de gaz synthétique. Cette découverte ouvre la voie à un avenir énergétique plus durable et plus efficace.”

Cela étant dit, le professeur a noté que l’utilisation de la lumière pour améliorer les réactions chimiques n’est pas sans controverse, étant donné que la lumière apporte également de la chaleur avec elle. Il a donc fallu que l’équipe effectue des expériences de contrôle et effectue des mesures soigneuses pour déterminer si c’était l’effet de chauffage de la lumière qui causait des taux de réaction et une sélectivité plus rapides.

Ce que l’équipe a fait pour déterminer cela était de faire des expériences avec le laser et sans lui à la même température produite par l’excitation lumineuse. Cela les a aidés à écarter la chaleur comme facteur responsable.

L’équipe a constaté que c’était en fait les champs électriques et les flux de charge dirigés créés par l’excitation lumineuse qui étaient responsables de l’augmentation de la productivité et de la sélectivité améliorée de la division de l’eau.

Maintenant, en avançant, l’équipe doit encore surmonter des défis. Cela inclut l’utilisation répétée d’électrodes à base de nanoparticules, qui entraînera une dégradation avec le temps, en particulier lors de la mise à l’échelle de la méthode pour une application industrielle.

L’équipe doit également effectuer des recherches plus approfondies et améliorer l’efficacité énergétique globale du processus et la gestion de la lumière.

“(Dans l’ensemble) ce que nous avons trouvé avec cette étude présente des moyens complètement nouveaux de penser l’électrochimie et la catalyse.”

– Jain

Après tout, l’utilisation de la lumière a amélioré l’activité du catalyseur, mais plus important et plus surprenant, elle a permis de modifier la sélectivité, ce qui débloquera de nouvelles voies chimiques qui produiront différents produits. Cela signifie que la réduction de CO2 ou la division de l’eau n’est que le début ; la méthode peut également être appliquée à de nombreuses autres réactions catalytiques importantes pour l’industrie chimique.

Entreprises Impliquées dans la Réduction et la Conversion du CO2

La gravité et la dévastation croissantes causées par les incendies de forêt ont conduit à des avancées dans les méthodes de protection contre les incendies, telles que les hydrogels biomimétiques activables par la chaleur. Cependant, il y a également un intérêt croissant pour la réduction et la réaffectation des émissions de CO2. Cette réaffectation implique la transformation du dioxyde de carbone, un contributeur majeur au changement climatique, en produits utiles tels que des combustibles, des produits chimiques et des matériaux de construction.

Les entreprises à la pointe de ces efforts combinent des technologies de pointe pour relever les défis environnementaux et économiques posés par les émissions de CO2.

Cela inclut Chevron Corporation (CVX ) (CVX), FuelCell Energy (FCEL ) (FCEL), et Occidental Petroleum (OXY ). Alors que Chevron investit dans les technologies de capture du carbone, FuelCell Energy se concentre sur les solutions d’énergie propre, et Occidental est impliqué dans la technologie de capture directe de l’air (DAC) pour éliminer le CO2 de l’atmosphère et le convertir en produits utilisables.

Air Products and Chemicals (APD ) est une autre entreprise impliquée dans la production d’hydrogène et les technologies de conversion de CO2. Avec une capitalisation boursière de 73,44 milliards de dollars, les actions APD sont actuellement cotées à 330,37 dollars, en hausse de 20,66 % depuis le début de l’année.

Maintenant, analysons plus en détail une autre grande entreprise de capture du carbone :

ExxonMobil (XOM )

Cette multinationale américaine de pétrole et de gaz, qui est la plus grande descendance directe de Standard Oil de John D. Rockefeller, a un intérêt croissant pour les technologies de capture, d’utilisation et de stockage du carbone (CCUS) pour réduire les émissions de CO2.

Le réseau de CCS d’ExxonMobil implique l’exploitation du plus grand pipeline de CO2 de 1 500 miles de long aux États-Unis. Il dispose également de plusieurs sites de stockage stratégiquement positionnés le long de la côte du golfe des États-Unis.

Grâce à ExxonMobil Low Carbon Solutions, l’entreprise joue un rôle important pour mettre à l’échelle la technologie de capture et de stockage du carbone. Elle se targue d’une capacité de capture actuelle de 9 millions de tonnes métriques par an, d’une capture cumulative de 120 millions de tonnes à ce jour, et représente au total environ 40 % de tout le CO2 produit par l’homme capturé, selon les chiffres du site Web d’ExxonMobil.

La société a collaboré avec Mitsubishi Heavy Industries (MHI) pour permettre des solutions complètes de bout en bout pour la capture du CO2 après combustion. La solution fournit des solutions complètes de capture, de transport et de stockage du carbone.

La société exécute un projet pilote pour utiliser le gaz, qui serait autrement brûlé en raison du manque de pipelines, à partir de ses puits de pétrole du Dakota du Nord pour alimenter les opérateurs de minage de Bitcoin. Pour cela, ExxonMobile s’est associé à Crusoe Energy Systems, qui tire parti des ressources énergétiques gaspillées pour prendre le gaz de ses puits de pétrole et alimenter des générateurs mobiles utilisés pour les opérations de minage de Bitcoin. L’entreprise s’attend à ce que ses plans de réduction des émissions atteignent les objectifs de l’annulation routinière des émissions de gaz à effet de serre d’ici 2030.

Au moment de la rédaction, ses actions sont cotées à 119,94 dollars, après une augmentation de 20,72 % de leur prix depuis le début de l’année. Cela place la capitalisation boursière d’ExxonMobil à 536,2 milliards de dollars, avec un BPA (TTM) de 8,34, un ratio cours/bénéfice (TTM) de 14,47 et un rendement des dividendes de 3,15 %.

Pour le deuxième trimestre 2024, la société a annoncé des bénéfices de 9,2 milliards de dollars, qu’elle a déclaré mettre en évidence les “forces différenciées du portefeuille d’ExxonMobil et sa puissance de gain améliorée”. Elle a également élargi sa proposition de valeur en renforçant son leadership dans la capture et le stockage du carbone (CCS) avec un nouvel accord qui a augmenté son volume total de CO2 sous contrat à 5,5 millions de tonnes métriques par an. Cela, selon ExxonMobil, est plus de “volume contractuel que toute autre entreprise n’a annoncé”. Ses résultats financiers du troisième trimestre 2024 seront publiés le 1er novembre.

Conclusion

Avec des milliards de tonnes métriques de CO2 libérées dans l’atmosphère chaque année, cela entraîne non seulement le changement climatique, qui conduit à des événements météorologiques extrêmes, mais aussi des risques pour la santé et une acidification des océans qui met en danger la vie marine et les récifs coralliens.

Alors que la crise climatique s’intensifie, il est devenu crucial que nous abordions le grave problème de l’augmentation des émissions de CO2 afin de réduire le réchauffement climatique et ses conséquences catastrophiques. Les incendies de forêt, alimentés par le changement climatique, libèrent des niveaux sans précédent de dioxyde de carbone, aggravant encore le problème. Alors que les programmes de reboisement et de reforestation sont essentiels pour compenser les émissions, la menace des incendies de forêt plane, rendant les stratégies de gestion des incendies proactives essentielles.

Les solutions innovantes, telles que la réduction électrochimique de CO2 et l’utilisation de la lumière visible pour améliorer les réactions catalytiques, offrent des solutions prometteuses pour réaffecter les émissions de carbone nocives en produits utiles tels que des combustibles synthétiques et des produits chimiques industriels.

Ces progrès, bien qu’encore en développement, représentent le potentiel d’atténuer le changement climatique en transformant le CO2 d’un polluant mondial en une ressource pour l’avenir. Alors que les entreprises continuent d’investir dans les technologies de capture du carbone et les carburants alternatifs, nous nous rapprochons d’une solution durable qui pourrait redessiner le paysage énergétique.

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