CO₂ : usages industriels, enjeux climatiques et solutions de captage

Qu’est-ce que le CO₂ ?

Le dioxyde de carbone, un gaz incolore et inodore composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène, est naturellement présent en faibles quantités dans l'atmosphère terrestre. Crucial pour la photosynthèse (les plantes convertissent le CO₂ en oxygène), il est également un gaz à effet de serre significatif, contribuant au réchauffement climatique et au changement climatique.

Selon la température et la pression, le CO₂ peut exister sous forme gazeuse, liquide, solide (connu sous le nom de glace carbonique) et supercritique (sCO₂). L'état supercritique est une phase fluide où le CO₂ est maintenu à ou au-dessus de sa température critique et de sa pression critique, présentant des propriétés à la fois liquides et gazeuses.

Propriétés physiques du CO₂ :

• Poids moléculaire : 44,01 g/mol
• Point de sublimation (à pression atmosphérique) : -78,5°C
• Densité (gaz à 0°C, 1 atm) : 1,977 kg/m³ (environ 1,5 fois plus dense que l'air)
• Densité critique : 468 kg/m³
• Solubilité dans l'eau : Très soluble (forme l'acide carbonique)
• Inflammabilité : Non inflammable

Propriétés chimiques du CO₂ :

• Stabilité : Élevée. Le CO₂ est généralement un gaz stable et relativement inerte dans les conditions standard.
• Réactivité : Bien que généralement stable, le CO₂ participe à des réactions clés comme la photosynthèse et peut réagir avec certains métaux à hautes températures. Bien que non toxique à faibles concentrations, il présente des risques à des niveaux plus élevés.

Le CO₂ dans le cycle naturel du carbone

Le cycle du carbone décrit le mouvement continu du carbone entre l'atmosphère, les océans, la terre (plantes, animaux, microbes et sols) et les formations géologiques. Sous forme de CO₂, le carbone aide à contrôler la température de la Terre : une quantité insuffisante rendrait la planète trop froide pour maintenir les êtres vivants, tandis qu'un excès augmenterait significativement les températures mondiales.

Les plantes, les sols, les animaux et les océans jouent tous des rôles importants dans ce cycle :

• Plantes et sols : Les plantes échangent constamment du carbone avec l'atmosphère, absorbant le dioxyde de carbone pendant la photosynthèse (le stockant dans leur biomasse et contribuant au carbone organique du sol) et libérant de l'oxygène. Elles libèrent également du CO₂ lorsque la matière organique se décompose.
• Animaux : Expirent du dioxyde de carbone lorsqu'ils respirent et libèrent du CO₂ lorsque leurs corps se décomposent.
• Océans : Absorbent le dioxyde de carbone atmosphérique en le dissolvant dans leurs eaux de surface. Ce carbone dissous est ensuite transporté par les courants océaniques et peut être incorporé dans la vie marine ou éventuellement s'enfoncer dans les couches plus profondes.
• Activité volcanique : Les processus géologiques naturels, tels que les éruptions volcaniques, libèrent également du CO₂ dans l'atmosphère.

Cet échange naturel maintient un bilan délicat, régulant les niveaux atmosphériques de CO₂ avant toute influence humaine significative.

Sources anthropiques du CO₂ et émissions industrielles

Les activités humaines ont significativement augmenté le CO₂ atmosphérique depuis la Révolution industrielle, principalement par la combustion de combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) et par la déforestation et le drainage des zones humides.

Au-delà des émissions provenant de la combustion de combustibles fossiles (par exemple, production d'électricité, transport et production de carburant), d'autres sources majeures de CO₂ incluent :

• La production de ciment, qui représente la source la plus significative d'émissions mondiales de CO₂.
• La production d'acier, contribuant à près de 8% des émissions mondiales de CO₂.
• L'industrie chimique, comptant pour environ 6% des émissions mondiales de CO₂ équivalent.

Outre le CO₂, d'autres gaz traces générés par l'homme amplifient également l'effet de serre. Ceux-ci incluent le méthane (CH₄), le protoxyde d'azote (N₂O), l'ozone (O₃) et les chlorofluorocarbones (CFC).

Pour estimer et comparer leurs impacts, les scientifiques utilisent des outils comme le Potentiel de Réchauffement Global (PRG). Bien que le méthane et le protoxyde d'azote aient un PRG significativement plus élevé par molécule, le CO₂ reste le principal moteur du changement climatique en raison de l'immense volume de ses émissions et de sa durée de vie atmosphérique exceptionnellement longue. Sa seule quantité et sa persistance dans l'atmosphère en font le plus grand contributeur global au réchauffement climatique.

Utilisations industrielles du CO₂

Le dioxyde de carbone est un gaz industriel très polyvalent, doté de nombreuses applications dans un large éventail d'industries. Il peut être utilisé sous ses formes gazeuse, liquide et solide (connue sous le nom de "glace carbonique"), ainsi que dans son état supercritique. Il est principalement employé comme réfrigérant, comme gaz de protection en soudage ou comme agent d'inertage dans les industries chimique et alimentaire.

Industrie alimentaire et boissons

Le CO₂ est utilisé (sous ses formes gazeuse et liquide) pour :

• Les applications de conditionnement sous atmosphère modifiée (MAP) pour prolonger la durée de conservation des produits alimentaires.
• La carbonatation des boissons pétillantes, la viticulture et l'extraction de la caféine du café sous sa forme supercritique.
• Les applications cryogéniques pour le contrôle de la température et la surgélation.

Soudage et inertage

• En soudage MIG/MAG, le CO₂ sert de gaz de protection, préservant le bain de fusion de l'oxydation.
• En combinaison avec l'argon, le dioxyde de carbone est utilisé pour améliorer la vitesse de soudage et réduire le besoin de traitements post-soudage.

Réfrigération et logistique

Le CO₂ sous sa forme solide, la "glace carbonique", est utilisé pour :

• Le contrôle et le maintien de la température pendant le transport et le stockage des aliments.

Extraction et nettoyage

• La projection de glace carbonique ou de CO₂ supercritique est utilisée pour le nettoyage industriel.
• Le CO₂ supercritique pour extraire des composés de divers matériaux, notamment dans les industries pharmaceutique et cosmétique.

Secteur médical

• La cryothérapie pour l'élimination des lésions cutanées.
• Utilisé avec de l'oxygène de qualité médicale pour aider à stimuler la respiration.
• Comme gaz d'insufflation dans les chirurgies mini-invasives.
• Utilisé en laboratoire pour créer des environnements contrôlés, réguler le pH et pour les applications cryogéniques.

Applications environnementales

• Pour le traitement de l'eau, y compris l'équilibre calco-carbonique dans la production d'eau potable.
• Ainsi que pour la neutralisation des effluents alcalins, en remplacement des acides forts.

Le CO₂ et le changement climatique

Comme mentionné précédemment, le CO₂ est un gaz à effet de serre qui piège la chaleur dans l'atmosphère. L'augmentation des concentrations atmosphériques de CO₂ entraîne une hausse des températures mondiales, se traduisant par des vagues de chaleur plus intenses, fréquentes et persistantes, ainsi que d'autres phénomènes météorologiques extrêmes tels que des ouragans puissants, de fortes pluies, des inondations et des sécheresses.

Cela a des impacts significatifs sur les écosystèmes tant aquatiques que terrestres. Les océans absorbent le dioxyde de carbone atmosphérique, qui se dissout ensuite dans l'eau de mer. Cette dissolution accrue, entraînée par une réaction chimique, altère le pH de l'océan en le diminuant, le rendant plus acide. Cette acidification des océans impacte de nombreuses espèces marines, en particulier des organismes comme les huîtres et les coraux, et peut également affecter le comportement de certains poissons. Sur terre, la hausse des températures et la modification des régimes de précipitations peuvent entraîner des changements dans les cycles de croissance des plantes, une augmentation de la fréquence des sécheresses impactant l'agriculture et la biodiversité, et un risque accru d'incendies de forêt.

Captage, stockage et valorisation du CO₂ (CCUS) : une solution durable

Le Captage, l'Utilisation et le Stockage du Carbone (CCUS) représente un ensemble de technologies conçues pour empêcher le dioxyde de carbone de pénétrer dans l'atmosphère ou pour le retirer directement une fois émis. Ce processus englobe trois étapes principales : le captage, le transport et le stockage, ainsi que l'utilisation.

1. Technologies de captage du CO₂ : Ces technologies extraient le CO₂ des sources industrielles ou directement de l'air.
   • Captage post-combustion : Cette méthode, la plus courante et mature, capture le CO₂ des gaz de combustion après que les combustibles fossiles ont été brûlés. Elle utilise souvent des solvants ou des sorbants pour séparer le CO₂ des autres gaz.
   • Oxycombustion : Implique la combustion de combustibles fossiles dans de l'oxygène pur plutôt que de l'air. Cela produit un gaz de combustion hautement concentré, principalement composé de CO₂ et de H₂O, rendant la séparation et la purification du CO₂ beaucoup plus faciles.
   • Captage direct dans l'air (DAC) : Permet de capter le CO₂ directement de l'air ambiant. Bien qu'encore à un stade de développement précoce et coûteux, le DAC possède un immense potentiel pour atténuer les émissions provenant de sources diffuses ou pour retirer le CO₂ déjà présent dans l'atmosphère.
2. Transport et stockage du CO₂ (CCS) : Une fois capté, le CO₂ est généralement comprimé et transporté, souvent via des pipelines ou des navires, vers des sites de stockage à long terme appropriés. Le stockage géologique, un composant clé du CCS, implique l'injection de CO₂ en profondeur sous terre dans des formations géologiques sécurisées, telles que des aquifères salins ou des gisements de pétrole et de gaz épuisés, où il est séquestré de manière permanente.
3. Utilisation du CO₂ (CCU) : Au lieu d'un stockage permanent, le CO₂ capté peut également être utilisé comme une ressource précieuse dans divers processus industriels.
   • Produits chimiques : Utilisé comme matière première pour produire une gamme de produits chimiques, y compris les polymères, le méthanol et l'urée.
   • Matériaux : Incorporé dans des matériaux de construction comme le ciment et le béton.
   • Carburants de synthèse : Converti en carburants de synthèse (par exemple, les e-carburants) qui peuvent remplacer les carburants fossiles, créant ainsi une économie circulaire du carbone.

Les technologies de CCUS jouent un rôle essentiel dans l'atteinte des objectifs mondiaux de décarbonation, en particulier pour les industries lourdes (ciment, acier, chimie) où les émissions de CO₂ sont inhérentes au processus et difficiles à combattre autrement. Elles sont indispensables pour atteindre la neutralité carbone (net-zero emission.

Air Liquide, en collaboration avec d'autres partenaires, offre une solution complète pour cette chaîne de valeur.

Réglementation, normes et enjeux pour les industriels

Face à la préoccupation mondiale croissante concernant les émissions de gaz à effet de serre et aux engagements tels que l'ambition de l'Accord de Paris d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2050, les cadres réglementaires évoluent rapidement. L'UE, en particulier, a établi un ensemble robuste de réglementations et de normes pour piloter la décarbonation.

Les principaux instruments réglementaires européens incluent :

• Système d'échange de quotas d'émission (ETS) : Ce système de "plafond et d'échange" (cap and trade) est conçu pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, principalement le dioxyde de carbone, provenant de secteurs spécifiques de l'économie européenne en fixant un prix au carbone.
• Paquet "Fit for 55" : Cet ensemble complet de propositions de la Commission européenne vise à réduire les émissions nettes de GES d'au moins 55% d'ici 2030, impactant de nombreuses industries.
• Mécanisme d'ajustement carbone aux frontières (MACF/CBAM) : Cette politique fixe un prix au carbone émis lors de la production de biens à forte intensité de carbone importés dans l'UE, prévenant la fuite de carbone et encourageant une production industrielle mondiale plus propre.

Au-delà de la conformité réglementaire, les industriels du monde entier s'engagent de plus en plus envers des objectifs ambitieux de neutralité carbone et de "net-zero emissions". Cet engagement entraîne des exigences croissantes en matière de mesure robuste des émissions et de reporting transparent, y compris les émissions de Scope 1, 2 et 3.

À mesure que les technologies de CCUS évoluent, le transport et le stockage sûrs du CO₂, souvent sous haute pression ou à des températures cryogéniques, deviennent primordiaux. La conception, la construction et l'exploitation des pipelines de CO₂, des navires de transport et des sites de stockage géologique sont soumis à des réglementations strictes et à des normes industrielles.

Air Liquide et le CO₂ : innovation et transition énergétique

En tant que leader mondial des gaz industriels, Air Liquide est à l'avant-garde de la gestion du CO₂, offrant des solutions innovantes pour accélérer la décarbonation industrielle et soutenir la transition énergétique de nos clients.

Notre engagement en faveur d'un avenir bas carbone est évident tant dans nos opérations internes que dans les solutions de pointe que nous proposons. Nous sommes déterminés à atteindre la neutralité carbone d'ici 2050, avec une réduction de 33% des émissions de CO₂ de Scope 1 et 2 d'ici 2035, en nous appuyant sur des stratégies telles que le Captage et Stockage du Carbone (CSC). Air Liquide a été pionnier dans la technologie de captage de CO₂ basée sur la cryogénie, déployant avec succès sa solution CRYOCAP™ à Port-Jérôme depuis 2015, démontrant une voie clé vers la décarbonation de l'industrie. Le CO₂ de Port-Jérôme est ensuite purifié et liquéfié pour répondre aux besoins en CO₂ des marchés industriels locaux (agroalimentaire, traitement de l'eau, etc.).

Pour aider les secteurs industriels à réduire leur empreinte carbone et à respecter les impératifs croissants de durabilité, Air Liquide propose une gamme complète de solutions CO₂ :

• Fourniture de CO₂ bas carbone : Produite à partir d'énergie 100% renouvelable, notre solution de CO₂ bas carbone ECO ORIGIN™ s'aligne parfaitement avec les objectifs de décarbonation des différents secteurs industriels.
• Efficacité énergétique et valorisation : L'Eco Chiller, une solution d'échange de chaleur, récupère efficacement l'énergie frigorifique de la vaporisation du gaz pour réduire directement la consommation d'électricité de nos clients pour le refroidissement de l'eau, contribuant ainsi à des émissions de CO₂ liées aux processus plus faibles.
• Expertise en gestion du CO₂ : Nous fournissons des solutions avancées pour la purification et la liquéfaction du CO₂, garantissant la qualité et le transport efficace du CO₂ capté pour diverses applications industrielles.

Grâce à ces offres intégrées et à des partenariats stratégiques, Air Liquide est activement engagé dans des projets pilotes visant à favoriser une économie circulaire du CO₂. Forts de notre expérience inégalée et de notre savoir-faire, nous sommes idéalement positionnés pour vous accompagner à toutes les étapes de votre parcours de gestion du CO₂, en vous offrant un soutien sur mesure pour vos secteurs et applications spécifiques, vers un avenir durable et bas carbone.

Sécurité : risques liés au CO₂

Le CO₂ peut présenter des risques significatifs, particulièrement dans les espaces confinés ou lors de manipulations à proximité de réservoirs ou de bouteilles de gaz CO₂ comprimé ou de glace carbonique. L'exposition à de fortes concentrations de ce gaz peut entraîner plusieurs effets indésirables sur le corps, dont une partie est due à son impact sur les niveaux d'oxygène et à ses effets physiologiques directs :

• Détresse respiratoire : Peut provoquer des difficultés respiratoires, un essoufflement et une détresse respiratoire.
• Maux de tête et étourdissements : Peut causer des symptômes tels que des maux de tête, des vertiges et des étourdissements.
• Augmentation du rythme cardiaque : Pour compenser la réduction des niveaux d'oxygène, le cœur peut augmenter son rythme de battement afin d'acheminer l'oxygène vers les organes vitaux. Cela peut entraîner des palpitations et un pouls élevé.
• Confusion et désorientation : Une exposition prolongée peut affecter la fonction cérébrale, entraînant confusion, désorientation et altération des capacités cognitives.
• Perte de conscience : Dans les cas extrêmes, particulièrement lorsque les niveaux de CO₂ sont très élevés, une exposition prolongée peut entraîner une perte de conscience, voire la mort par privation d'oxygène.

Pour atténuer ces risques, diverses précautions de sécurité sont mises en œuvre. Parmi les plus importantes figure la surveillance de la qualité de l'air intérieur dans des structures telles que les écoles, les bureaux, les restaurants, les établissements médicaux et les centres de transport. Les détecteurs de gaz CO₂ servent d'indicateurs cruciaux de la qualité globale de l'air intérieur, signalant une mauvaise ventilation ou des contaminants. En détectant les niveaux élevés de CO₂, ces systèmes incitent à des investigations et à des améliorations pour un environnement intérieur plus sûr.