Énergie
Carburants alternatifs – Comment la lumière peut aider à revaloriser le dioxyde de carbone
L’une des principales causes du changement climatique est le dioxyde de carbone (CO2). Ce gaz à effet de serre important, le CO2, résulte de la combustion des combustibles fossiles (comme le pétrole, le charbon et le gaz naturel). Il se produit également naturellement grâce à la respiration humaine, à la respiration des plantes et aux éruptions volcaniques.
Les incendies de forêt constituent également une raison importante d’émission de CO2, avec environ 2 170 millions de tonnes métriques libérées en 2023 seulement.
Une nouvelle étude a constaté que les émissions de CO2 provenant des incendies de forêt ont en fait augmenté de façon spectaculaire de 60 % à l’échelle mondiale au cours des 23 dernières années.
Dirigée par l’University of East Anglia (UEA), l’étude a regroupé les zones du monde en « pyromes », qui sont des régions où les schémas d’incendies forestiers sont influencés par des contrôles climatiques, humains et environnementaux similaires.
À partir de cela, l’étude a examiné les différences entre les incendies forestiers et non forestiers, ce qui révèle les facteurs clés à l’origine des récentes augmentations 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 d’Eurasie et d’Amérique du Nord, abritent certaines des forêts boréales nordiques les plus sensibles au climat.
Des augmentations significatives ont été observées plus largement dans les forêts extratropiques, représentant un demi-milliard de tonnes supplémentaires de dioxyde de carbone chaque année. Le centre des émissions de CO2 se déplace également vers les zones extratropiques, loin des forêts tropicales.
L’augmentation des émissions a été associée à une hausse des conditions météorologiques favorables aux incendies, comme les conditions chaudes et sèches observées lors des vagues de chaleur et des sécheresses. De plus, l’augmentation du taux de croissance des forêts entraîne davantage de combustible végétal. Ces tendances sont également soutenues par la hausse des températures dans les hautes latitudes nordiques, qui se produit à un rythme deux fois supérieur à celui observé à l’échelle mondiale.
Non seulement l’étendue des incendies de forêt a considérablement augmenté, 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 bondi jusqu’à 50 % dans les forêts du monde entier pendant cette période. Selon l’auteur principal, le Dr Matthew Jones du Tyndall Centre for Climate Change Research à l’UEA :
“L’augmentation à la fois de l’étendue et de la gravité des incendies de forêt a entraîné une hausse spectaculaire de la quantité de carbone émis par les incendies de forêt à l’échelle mondiale. 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 la nouvelle étude et ont averti que, afin d’éviter la poursuite de la croissance des incendies de forêt, nous devons s’attaquer aux principales causes du changement climatique.
“Pour protéger les écosystèmes forestiers critiques de la menace croissante des incendies de forêt, nous devons contenir le réchauffement climatique, ce qui souligne l’importance de progresser rapidement vers des émissions nettes zéro.”
– Dr Jones, chercheur indépendant NERC
Les forêts elles-mêmes jouent un rôle crucial dans l’atteinte des objectifs climatiques internationaux. Elles aident, après tout, à retirer le CO2 de l’atmosphère en agissant comme des puits de carbone.
Le mécanisme consiste à ce que les forêts 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 s’appelle la séquestration du carbone, et cela réduit le taux de réchauffement planétaire.
Ainsi, les gouvernements du monde entier ont mis en place des programmes de reboisement et d’afforestation pour compenser les émissions humaines de CO2, en particulier provenant de secteurs comme l’aviation et certaines autres industries. Le succès de ces programmes dépend toutefois du stockage permanent du carbone dans les forêts, qui sont menacées par les incendies de forêt.
Avec les incendies extratropiques qui émettent déjà un demi-milliard de tonnes supplémentaires de CO2 par rapport à 2001 et l’effet à long terme dépendant de la récupération des forêts, des incendies de forêt plus répandus et plus graves déséquilibrent les émissions par rapport au carbone capturé lors de la récupération post-incendie. Le Dr Jones a déclaré :
“La tendance marquée vers une augmentation des émissions d’incendies forestiers extratropiques constitue un avertissement sur la vulnérabilité croissante des forêts, et elle représente un défi important pour les objectifs mondiaux de lutte contre le changement climatique.”
Il a ajouté qu’après des incendies sévères, les forêts sont connues pour se remettre difficilement. Ainsi, nous devons prêter une attention particulière à la façon dont l’augmentation de la gravité des incendies affectera le stockage du carbone des forêts dans les années à venir.
Parallèlement, on a constaté une réduction des brûlages des savanes tropicales sujettes aux incendies, des études antérieures montrant que, depuis 2001, la superficie brûlée par les incendies forestiers et non forestiers a diminué d’un quart à l’échelle mondiale.
Dans ce contexte de réduction des brûlages dans les prairies et les savanes, l’étude, selon ses auteurs, montre que les incendies continuent de se produire de plus en plus là où ils ne devraient pas, c’est‑à‑dire que les forêts masquent l’augmentation de l’étendue et de la gravité des incendies de forêt. Cela représente « la plus grande menace pour les populations et pour les réserves de carbone vitales », a déclaré le Dr Jones.
Ces nouvelles observations ont été rendues possibles grâce à 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 largement utilisés pour détecter les incendies de forêt dès leur apparition. Le potentiel immense de l’IA et de l’apprentissage automatique est encore renforcé 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 d’autres facteurs tels que la productivité végétale et l’utilisation des terres. De plus, comprendre les causes des incendies dans ces différents pyromes est essentiel pour développer des stratégies efficaces afin de prédire et d’atténuer les incendies de forêt et de protéger les forêts.
“Des financements substantiels sont nécessaires pour soutenir des programmes stratégiques de gestion forestière, d’engagement des parties prenantes et d’éducation du public, qui représentent tous un passage significatif de la stratégie de gestion des incendies, largement réactive, à une approche de plus en plus proactive.”
– Dr Jones
Une nouvelle frontière : transformer le CO2 en produits précieux
Outre la séquestration du carbone, une autre façon d’atténuer les effets négatifs du CO2 sur l’environnement consiste à le convertir en produits précieux.
Cela comprend la conversion du CO2 en nanofibres de carbone, qui peuvent être utilisées pour renforcer les matériaux de construction, sa combinaison avec l’hydrogène pour produire des carburants tels que le méthane, le méthanol, l’essence et les carburants d’aviation, ainsi que la conversion du CO2 en produits chimiques et autres produits tels que les produits pharmaceutiques, les additifs alimentaires et les parfums.
Une nouvelle étude a amélioré cette conversion du CO2 en produits précieux en combinant la lumière visible et l’électrochimie.
Ce faisant, l’équipe a fait une découverte surprenante : la lumière visible améliore considérablement la sélectivité, un attribut chimique important. Cette découverte ouvre de nouvelles voies pour la conversion du CO2 ainsi que pour de nombreuses autres réactions chimiques utilisées dans la recherche en catalyse et la fabrication chimique.
Transformer le CO2 en vecteur d’énergie plutôt qu’en déchet ou émission grâce au recyclage est un excellent moyen de réduire le changement climatique. Ici, le dioxyde de carbone est converti en carburants, produits chimiques, matériaux et énergie thermique.
Certaines méthodes de recyclage du CO2 comprennent la photosynthèse artificielle, un processus où l’énergie solaire est utilisée pour synthétiser des produits chimiques à partir du CO2 comme matière première. Ensuite, il y a la conversion électrochimique, où l’électricité sert à transformer 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 précieux. Dans ce processus, Prashant Jain, professeur de chimie à l’University of Illinois 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 qu’il faut de grandes électrodes pour ce processus. Ces électrodes contiennent beaucoup de matériau catalytique coûteux comme le cuivre ou l’or ou le cuivre.
Compte tenu de ces obstacles, Jan, avec son ancien étudiant diplômé Francis Alcorn, a cherché des moyens d’accélérer le processus en nécessitant moins de matériau catalytique, d’où « le rendre une option plus viable pour l’industrie des carburants alternatifs ».
Utiliser la lumière visible pour augmenter l’efficacité de la conversion du CO2
Dans la nouvelle méthode, l’équipe a combiné la lumière visible avec des électrodes recouvertes de particules extrêmement petites d’alliage or‑cuivre. Cela permet de réduire le CO2 à un rythme accru et avec une sélectivité plus contrôlée par rapport aux méthodes conventionnelles.
Jain a expliqué que :
“(Les nouvelles électrodes) agissent comme de minuscules antennes qui recherchent les photons dans le spectre de la lumière visible et les couplent au 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. Elle a ensuite appliqué une tension à travers l’électrode tandis que sa surface était éclairée par un laser à lumière visible.
Cela a entraîné une réaction qui produit rapidement de l’hydrogène à partir de la scission des molécules d’eau et du monoxyde de carbone, provenant de la scission du dioxyde de carbone.
Alors que l’équipe était « très enthousiaste » de constater le bond de productivité avec la lumière visible, ce qui n’était pas attendu était que la lumière visible ait un impact aussi important sur la sélectivité chimique — ce que Jain a déclaré être « l’avancée importante ici ».
Alors, qu’est-ce que cette sélectivité ? Eh bien, en catalyse, la sélectivité chimique est la capacité d’une réaction chimique à favoriser un type de molécule ou de voie plutôt qu’un autre.
Ce que l’équipe a fait pour déterminer cela, c’est qu’elle a mené des expériences avec le laser et sans, à la même température exacte produite par l’excitation lumineuse. Cela les a aidés à exclure le chauffage comme facteur responsable.
“Les résultats suggèrent que la lumière visible offre une opportunité unique d’ajuster le rapport de monoxyde de carbone à l’hydrogène produit, un facteur crucial pour la production industrielle de gaz de synthèse. Cette découverte ouvre la voie à un avenir énergétique plus durable et efficace.”
Cela dit, le professeur a souligné que l’utilisation de la lumière pour améliorer les réactions chimiques n’est pas sans controverse, la lumière apportant également de la chaleur. Ainsi, l’équipe a dû réaliser des expériences de contrôle et effectuer des mesures précises afin de déterminer si c’était l’effet thermique de la lumière qui provoquait des vitesses de réaction plus rapides et une meilleure sélectivité.
Ce que l’équipe a fait pour déterminer cela, c’est qu’elle a mené des expériences avec le laser et sans, à la même température exacte produite par l’excitation lumineuse. Cela les a aidés à exclure le chauffage comme facteur responsable.
L’équipe a découvert qu’en fait, ce sont les champs électriques et le flux de charge dirigé créés par l’excitation lumineuse qui sont responsables de l’augmentation de la productivité et de la sélectivité améliorée de la scission de l’eau.
À présent, en avançant, l’équipe doit encore relever des défis. Cela inclut l’utilisation répétée de nanoparticules à base d’électrodes, ce qui entraînera une dégradation au fil du temps, surtout lors du passage à l’échelle industrielle.
L’équipe doit également poursuivre la recherche et améliorer l’efficacité énergétique globale du processus ainsi que la gestion de la lumière.
“(Dans l’ensemble) ce que nous avons découvert avec cette étude ouvre des perspectives totalement nouvelles sur l’électrochimie et la catalyse.”
– Jain
Après tout, l’utilisation de la lumière a renforcé l’activité du catalyseur, mais plus important et de façon surprenante, elle a permis de modifier la sélectivité, ce qui ouvrira de nouvelles voies chimiques produisant différents produits. Cela signifie que la réduction du CO2 ou la scission 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 croissante et la dévastation causées par les incendies de forêt ont conduit à des avancées dans les méthodes de protection contre le feu, comme les hydrogels biomimétiques activables par la chaleur. Cependant, l’intérêt pour la réduction et la revalorisation des émissions de CO2 augmente également. Cette revalorisation consiste à transformer le dioxyde de carbone, principal contributeur au changement climatique, en produits utiles tels que des carburants, 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 comprend 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 du CO2. Avec une capitalisation boursière de 73,44 milliards de dollars, les actions d’APD se négocient actuellement à 330,37 $, en hausse de 20,66 % depuis le début de l’année.
(APD
)
Passons maintenant à une analyse plus approfondie d’un autre acteur majeur de la capture du carbone :
ExxonMobil (XOM )
Cette société multinationale américaine de pétrole et de gaz, qui est le plus grand descendant direct du Standard Oil de John D. Rockefeller, porte un intérêt croissant aux technologies de capture, d’utilisation et de stockage du carbone (CCUS) pour réduire les émissions de CO2.
Le réseau CCS d’ExxonMobil comprend l’exploitation du plus grand pipeline de CO2 de 1 500 miles aux États‑Unis. Il possède également plusieurs sites de stockage stratégiquement situés le long de la côte du Golfe américain.
Grâce à ExxonMobil Low Carbon Solutions, l’entreprise joue un rôle important dans la mise à l’échelle de la technologie de capture et de stockage du carbone. Elle affiche une capacité de capture actuelle de 9 millions de tonnes métriques par an, une capture cumulative de 120 millions de tonnes à ce jour, et représente globalement environ 40 % de tout le CO2 produit par l’homme capturé, selon les chiffres du site officiel d’ExxonMobil.
L’entreprise a collaboré avec Mitsubishi Heavy Industries (MHI) pour offrir des solutions complètes de bout en bout pour la capture du CO2 post‑combustion. La solution fournit une capture, un transport et un stockage du carbone complets.
L’entreprise mène également un projet pilote visant à utiliser le gaz, qui serait autrement brûlé faute de pipelines, provenant de ses puits de pétrole du Dakota du Nord pour alimenter les opérateurs de minage Bitcoin. Pour cela, ExxonMobil s’est associé à Crusoe Energy Systems, qui exploite les ressources d’énergie résiduelle pour prélever le gaz de ses puits et alimenter des générateurs mobiles utilisés dans les opérations de minage Bitcoin. L’entreprise prévoit que ses plans de réduction des émissions permettront d’atteindre l’objectif de zéro torchage routinier de la Banque mondiale d’ici 2030.
(XOM
)
Au moment de la rédaction, ses actions se négocient à 119,94 $, suite à une hausse de 20,72 % de son cours cette année. Cela porte la capitalisation boursière d’ExxonMobil à 536,2 milliards de dollars, avec un BPA (TTM) de 8,34, un PER (TTM) de 14,47 et un rendement du dividende de 3,15 %.
Pour le deuxième trimestre 2024, l’entreprise a déclaré des bénéfices de 9,2 milliards de dollars, ce qui, selon elle, met en avant les « forces différenciées du portefeuille d’ExxonMobil et son pouvoir de gains amélioré ». Elle a également élargi sa proposition de valeur en renforçant son leadership en capture et stockage du carbone (CCS) avec un nouvel accord qui a porté son volume total contractuel d’absorption de CO2 à 5,5 millions de tonnes métriques par an. Selon ExxonMobil, il s’agit d’un « volume engagé supérieur à celui de toute autre entreprise annoncée ». Les résultats financiers du troisième trimestre 2024 seront publiés le 1er novembre.
Conclusion
Avec des milliards de tonnes métriques de CO2 libérées chaque année dans l’atmosphère, cela entraîne non seulement le changement climatique, qui conduit à des événements météorologiques plus extrêmes, mais aussi des risques pour la santé et l’acidification des océans qui menace la vie marine et les récifs coralliens.
Alors que la crise climatique s’intensifie, il devient crucial de s’attaquer au grave problème de l’augmentation des émissions de CO2 afin de réduire le réchauffement planétaire et ses conséquences catastrophiques. Les incendies de forêt, alimentés par le changement climatique, libèrent des niveaux sans précédent de dioxyde de carbone, accélérant davantage le problème. Bien que les programmes de reboisement et d’afforestation soient essentiels pour compenser les émissions, la menace des incendies de forêt plane fortement, rendant les stratégies de gestion proactive du feu indispensables.
Des solutions innovantes, telles que la réduction électrochimique du CO2 et l’utilisation de la lumière visible pour améliorer les réactions catalytiques, offrent des perspectives prometteuses pour revaloriser les émissions de carbone nocives en produits précieux comme les carburants synthétiques et les produits chimiques industriels.
Ces avancées, bien qu’encore en cours de 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 remodeler le paysage énergétique.
