LE DIOXYDE DE CARBONE, D’UN GAZ À EFFET DE SERRE VERS UNE RESSOURCE

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Effets de l’accumulation dans l’atmosphère

Le CO2 continue aujourd’hui de s’accumuler massivement dans l’atmosphère, provoquant de sérieuses inquiétudes quant à son influence sur les changements climatiques observés depuis les années 1950. Ce gaz à effet de serre, rejeté inévitablement dans l’atmosphère en tant que déchet à cause de la production d’énergie et de son utilisation dans les transports et l’industrie notamment, implique directement une lente augmentation de la température à la surface de la Terre, d’après le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC)[12].
Cette augmentation de la température s’accompagne d’une dilatation de l’eau et donc d’une augmentation du volume des mers et des océans. Cette montée du niveau des océans est particulièrement préoccupante dans les iles du Pacifique, où l’altitude maximale de nombreuses iles ne dépasse guère les quelques mètres. Les habitants de ces iles seront ainsi contraints de migrer dans les prochaines décennies. Ce constat a fait rentrer dans le langage courant au début des années 2000 le terme de réfugié écologique. Cependant, ce statut n’a pour l’instant aucune valeur juridique, mais l’ONU est en train d’étudier la possibilité d’en créer un, à l’image de celui de réfugié politique entré en vigueur dans le droit international en 1951. Les premiers réfugiés écologiques sont les habitants des iles Carteret, atoll de 2500 habitants pour une superficie de 0,6 km2 en Papouasie-Nouvelle-Guinée. L’atoll, culminant à 1,5 mètre d’altitude, a vu le niveau de l’océan augmenter de dix centimètres en vingt ans. Cette augmentation, qui peut paraitre faible, est malheureusement suffisante pour inonder les plantations d’eau salée, tuant les récoltes, et pour noyer les cocotiers sur les côtes, base de leur alimentation. Le gouvernement Papouasien finance et organise le rapatriement de la population depuis 2005 dans la ville de Buka[13]. Dans le même registre, les Tuvalu, état de 12 200 habitants tentent de négocier avec le gouvernement néo-zélandais leur accueil par la Nouvelle-Zélande.
Cependant, arrêter d’émettre du CO2 ne changerait pas la situation du jour au lendemain. Même si on coupait maintenant nos émissions de CO2, cela prendrait des siècles pour retrouver une situation stable, qui ne serait même pas celle datant d’avant la révolution industrielle. Il est estimé qu’il faudrait entre 100 et 300 ans pour que le taux de CO2 dans l’atmosphère se stabilise et quelques siècles pour que la température se maintienne. L’augmentation du niveau de la mer à cause de l’expansion thermique continuerait pendant plusieurs siècles à cause de l’augmentation de la température. Celle à cause de la fonte des glaces continuerait pendant plusieurs millénaires. Ce scénario est alarmant ; il va sans dire que celui dans lequel les émissions ne baissent pas est bien plus sombre. Il est donc indispensable de faire baisser les émissions de CO2 et plusieurs options sont envisageables[9].

Technologie pour la réduction des émissions de CO2

Problématique

Les carburants à base de ressources fossiles vont continuer à représenter environ 85 % de l’énergie mondiale jusqu’au moins 2030. Il est donc clairement inenvisageable de vouloir simplement arrêter d’utiliser du pétrole et du gaz naturel pour couper les émissions de CO2. Il est nécessaire d’une part de trouver des technologies efficaces pour remplacer à terme ces carburants à base de ressources fossiles, tout en trouvant d’autre part des solutions pour contrôler les émissions de CO2 dans l’atmosphère. Aujourd’hui, ces problématiques sont au centre de l’attention de nombreux scientifiques et industriels. Par conséquence, plusieurs options sont proposées. Néanmoins, il faut bien comprendre qu’aucune des solutions prises indépendamment des autres ne permettra de résoudre seule le problème à plus ou moins long terme. Ces solutions sont à prendre en globalité, chacune devant être pensée en fonction des autres.

Amélioration des énergies carbonées

La solution la plus simple est de diminuer la consommation d’énergie. La deuxième est d’améliorer l’efficience des procédés existants de fabrication d’énergie. C’est-à-dire, à niveau de ressources initiales égales, obtenir de meilleurs résultats sur la quantité d’énergie produite. Ainsi, il devient possible, tout en maintenant une production d’énergie constante, d’utiliser moins de ressources et donc de diminuer la quantité de CO2 émise. Il est envisageable de faire passer cette efficience de 32 % à 50 %. Une autre solution est le basculement des carburants utilisés, du charbon vers le pétrole et le gaz. En effet, pour un kilowatt-heure d’énergie électrique produit à partir de ces trois sources, le charbon rejette 1 kg de CO2, contre 0,75 kg pour le pétrole et 0,5 kg pour le gaz[9]. Malgré cela, la consommation mondiale de charbon explose, ayant doublé en 30 ans, principalement à cause de la Chine, à environ 180 tonnes par seconde. D’ici 2016 ou 2017, la consommation mondiale de charbon dépassera celle du pétrole. Environ 60 % des émissions de CO2 sont dues à la combustion du charbon, alors que cette ressource représente 40 % de l’énergie mondiale. Alors qu’il reste pour environ 50 ans de réserve de pétrole selon la plupart des estimations, les réserves de charbon sont estimées pour au moins 150 ans[14]. Le basculement du charbon vers le pétrole et le gaz parait donc difficilement envisageable, davantage d’un point de vue sociétal que technique.

Énergies alternatives

La diminution des 85 % d’énergie utilisés venant de ressources fossiles peut aussi s’accompagner de l’augmentation des 15 % restants. La part de l’énergie nucléaire pourrait être augmentée. Cependant, cette technologie reste réservée aux pays développés. Par rapport aux autres sources d’énergie, l’énergie nucléaire civile nécessite en effet des investissements initiaux très importants, mais le cout d’exploitation est ensuite plus faible, rendant la technologie rentable à long terme. Ainsi, la France a fait le choix du nucléaire et est de loin le pays qui dépend le plus de cette énergie, avec une part de 75 % de la production d’énergie totale. Seuls deux autres pays dépassent les 50 %, la Slovaquie et la Belgique, et il n’y a que douze pays dont l’énergie dépend à plus de 30 % du nucléaire[15]. Cependant, il existe un débat politique fort sur le nucléaire, avec des différences de politiques nettes entre les pays. La question du traitement des déchets nucléaires et de fin de vie des centrales n’est pas pleinement résolue. L’énergie nucléaire a de plus mauvaise presse auprès de l’opinion publique, principalement à cause des catastrophes de Tchernobyl de 1986 et de Fukushima de 2011.
L’utilisation des énergies pérennes (solaire, éolien, hydraulique, géothermal, etc.) et renouvelables (biomasse) représente une solution d’avenir. Elles sont de plus en plus explorées et utilisées, mais leur exploitation dépend largement de la situation géographique du pays et reste au stade des prémices.

Stockage du CO2

Une autre solution est la séquestration géologique du dioxyde de carbone (en anglais Carbon Capture and Storage, CCS). Le captage consiste à séparer le CO2 des autres gaz présents dans les fumées d’installations industrielles fortement émettrices, le comprimer pour en diminuer le volume puis le transporter par bateau ou par canalisation pour l’injecter via un puits d’injection dans le sous-sol terrestre ou marin, où il est stocké (Figure 10). Pour espérer un effet significatif pour le climat, il faudrait en enfouir environ 3,5 milliards de tonnes par an, soit l’équivalent de 29 milliards de barils de pétrole, ce qui représente la production annuelle. Cette technologie présente l’avantage de pouvoir théoriquement faire réduire massivement et de façon pérenne les émissions de CO2. À contrario, la technologie présente des couts élevés, principalement à cause du transport en amont, et la baisse du CO2 atmosphérique reste incertaine. Elle est de plus très énergivore, les capacités réelles de stockage ne sont pas connues et les risques et impacts environnementaux sont encore à maitriser[16]. Plusieurs pilotes ont été installés dans le monde et ont donné des résultats mitigés. D’un point de vue politique en Union Européenne, aucune incitation au déploiement de CCS n’est prévu d’ici 2020, date à laquelle la Commission Européenne prévoit que 3 % des centrales thermiques au charbon soient équipées d’installation CCS[17].
Figure 10 : Installation de séquestration géologique du CO2

Recyclage du CO2

La dernière solution envisagée est le recyclage du CO2. Il s’agit de fabriquer des produits chimiques comme des engrais, des pesticides, des petites molécules de l’industrie chimiques, des matériaux, etc. à partir de l’atome de carbone du CO2. L’atome de carbone est alors transféré dans un autre produit et donc recyclé. Cette solution, étudiée dans cette thèse (voir chapitre 2), a l’avantage non négligeable d’être la seule qui puisse amener de la valeur ajoutée en transformant ce déchet. Le recyclage du CO2 permet donc pleinement d’entrer dans la conception du développement durable, celui-ci faisant intervenir les critères écologique, économique et social (Figure 11).

Utilisations du CO2

Le dioxyde de carbone est utilisé dans plusieurs applications industrielles qui peuvent être classées en deux catégories : les utilisations sans transformation du CO2 et les utilisations avec transformation du CO2. Pour cette dernière, il est transformé en d’autres produits chimiques organiques ou inorganiques. On peut alors parler de recyclage du CO2.

Utilisations sans transformation du CO2

Industrie alimentaire

Le dioxyde de carbone sert d’additif alimentaire pour la production de boissons gazeuses. Ainsi, les sodas et les eaux gazeuses non naturelles sont fabriqués par injection de CO2 dans de l’eau, lequel se retrouve sous forme d’acide carbonique. Le CO2 du champagne ou de la bière est lui obtenu par fermentation de bactéries dans les cuves ou les futs de préparation. Toutes les bulles des boissons gazeuses sont donc du CO23. Du CO2 gazeux est aussi parfois injecté dans les emballages de viande fraiche et de légumes pour ses propriétés antibactériennes et antioxydantes, tandis que le CO2 solide (glace carbonique) est utilisé pour le transport des produits alimentaires. Le dioxyde de carbone employé dans l’industrie alimentaire est strictement règlementé par les agences de sécurité alimentaires, sa pureté devant être le plus proche possible de 100 %. L’ensemble de ce marché représente un volume de CO2 utilisé très faible, seulement 5,3 Mt(CO2) des 180 Mt(CO2) exploités chaque année, soit un peu moins de 3 %.

Usages divers

En plus de l’industrie alimentaire, il est aussi mis à profit directement dans d’autres domaines d’application. Les propriétés antibactériennes du CO2 sont utilisées pour la conservation des céréales et le traitement des eaux. Il est aussi utilisé comme gaz de séchage pour le nettoyage à sec ou comme gaz de poussée dans les tireuses à bière des brasseries. Enfin, le CO2 sert à la fabrication d’extincteurs à CO2. Il est stocké dans une bonbonne sous forme liquide à 70-80 bar. Le marché du CO2 utilisé sans transformation est globalement assez faible, puisque l’ensemble du CO2 exploité dans l’industrie alimentaire et les autres usages précédemment mentionnés ne couvre que 18 Mt(CO2).an-1, pour un marché ne brassant que deux milliards de dollars.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : LE DIOXYDE DE CARBONE, D’UN GAZ À EFFET DE SERRE VERS UNE RESSOURCE
1. LE DIOXYDE DE CARBONE
2. PROBLÉMATIQUES SOCIOÉCONOMIQUES LIÉES AU CO2
3. UTILISATIONS DU CO2
4. PRODUCTION DU CO2
CHAPITRE 2 : UNE APPROCHE DIAGONALE POUR LE RECYCLAGE DU CO2
1. RECYCLAGE ET VALORISATION CHIMIQUE DU CO2
2. CONTRAINTES LIÉES À LA VALORISATION CHIMIQUE DU CO2
3. PRÉSENTATION DU SUJET DE THÈSE
CHAPITRE 3 : HYDROSILYLATION ORGANOCATALYTIQUE DU CO2 EN MOLÉCULES AZOTÉES
1. BASES DE VERKADE POUR LA RÉDUCTION VERTICALE DU CO2
2. RÉDUCTION DU CO2 EN FORMAMIDES ET EN FORMAMIDINES
3. RÉDUCTION DES AMIDES EN AMINES POUR LA VALORISATION DU CO2
4. RÉDUCTION DU CO2 EN MÉTHYLAMINES
5. RÉDUCTION DU CO2 EN AMINALS
6. RÉDUCTION DU CO2 PAR HYDROSILYLATION : BOUCLER LA BOUCLE
CHAPITRE 4 : HYDROBORATION ORGANOCATALYTIQUE DU CO2 EN MOLÉCULES AZOTÉES
1. RÉDUCTION DU CO2 EN MÉTHANOL
2. RÉDUCTION DU CO2 EN MÉTHYLAMINES
3. ÉTAT DE L’ART SUR LA RÉDUCTION DU CO2 EN MÉTHYLAMINES
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
1. CONCLUSIONS
2. PERSPECTIVES
PARTIE EXPÉRIMENTALE
1. GÉNÉRALITÉS
2. PROCÉDURES DU CHAPITRE 3 : HYDROSILYLATION DU CO2
3. PROCÉDURES DU CHAPITRE 4 : HYDROBORATION DU CO2
RÉFÉRENCES
ANNEXES
1. BIBLIOGRAPHIE
2. ARTICLES RELATIFS À CETTE THÈSE
3. CONGRÈS ET CONFÉRENCES
4. REMERCIEMENTS

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