La quête de deux décennies d'un homme pour aspirer les gaz à effet de serre du ciel

Le grand récipient en métal du laboratoire de Klaus Lackner ne semble pas pouvoir sauver la planète. Il ressemble le plus à une benne à ordures - ce qu'il est en quelque sorte.

Sous le regard de Lackner, les mains dans les poches de son kaki repassé, la machine commence à se transformer. Trois cadres métalliques en forme de matelas s'élèvent des entrailles du réceptacle, se dépliant comme un accordéon alors qu'ils s'étirent vers le plafond.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2019

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Chaque cadre contient des centaines de bandes de polymère blanches remplies de résines qui se lient aux molécules de dioxyde de carbone. Les bandes forment une sorte de voile, conçue pour extraire les gaz à effet de serre de l'air lorsque le vent souffle à travers l'engin.

Surtout, ce même matériau libère du dioxyde de carbone lorsqu'il est mouillé. Pour ce faire, l'appareil de Lackner rétracte ses cadres dans leur conteneur, qui se remplit ensuite d'eau. Le gaz peut ensuite être collecté et utilisé à d'autres fins, et le processus peut recommencer.

Lackner et ses collègues du Center for Negative Carbon Emissions de l'Arizona State University ont construit une machine simple avec un grand objectif : capturer et recycler le dioxyde de carbone pour atténuer les effets du changement climatique. Il imagine des forêts qui s'étendent à travers la campagne, en aspirant des milliards de tonnes de l'atmosphère.

Lackner, 66 ans, avec des cheveux argentés en recul, travaille maintenant sur le problème depuis deux décennies. En 1999, en tant que physicien des particules au Laboratoire national de Los Alamos, il a écrit le premier article scientifique explorant la faisabilité de lutter contre le changement climatique en extrayant le dioxyde de carbone de l'air. C'était une voix solitaire pendant des années. Mais une foule croissante se rallie à sa pensée alors que le monde lutte pour réduire les émissions climatiques assez rapidement pour empêcher un réchauffement catastrophique. Le travail de Lackner a contribué à inspirer une poignée de startups de capture directe d'air, dont l'une des siennes, et un nombre croissant de publications scientifiques. Il est difficile de penser à un autre domaine qui soit autant le produit de la réflexion et du plaidoyer d'une seule personne, déclare David Keith, professeur à Harvard qui a cofondé une autre de ces startups, Carbon Engineering. Klaus a joué un rôle central dans l'argument selon lequel [la capture directe de l'air] pourrait être développée à une échelle pertinente pour le problème carbone-climat.

Personne, y compris Lackner, ne sait vraiment si le programme fonctionnera. La chimie est assez facile. Mais pouvons-nous vraiment construire n'importe où près d'assez de machines d'élimination du carbone pour faire une brèche dans le changement climatique ? Qui les paiera ? Et qu'allons-nous faire de tout le dioxyde de carbone qu'ils collectent ?

Le dernier prototype se déploie pour récupérer le carbone de l'air. Klaus Lackner a été le pionnier du domaine de la capture directe de l'air. Spencer Lowell

Lackner reconnaît volontiers les inconnues, mais estime que moins le processus est bon marché, plus il devient faisable. Si je vous dis : « Vous pourriez résoudre le problème du carbone pour 1 000 dollars la tonne », nous dirons : « Le changement climatique est un canular », dit Lackner. Mais si c'est 5 $ la tonne, ou 1 $ la tonne, nous dirons : 'Pourquoi n'avons-nous pas encore réglé le problème ?'

Limiter nos options

La concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère approche les 410 parties par million. Cela a déjà poussé les températures mondiales à près de 1 ˚C au-dessus des niveaux préindustriels et intensifié les sécheresses, les incendies de forêt et autres catastrophes naturelles. Ces dangers ne feront que s'aggraver à mesure que les émissions continueront d'augmenter.

Certains critiques scientifiques ont trouvé les projections de Lackner non seulement fausses mais dangereuses. Une paire d'articles critiques en 2011 a sonné pour beaucoup comme un glas pour la capture aérienne directe. Lackner était intrépide.

La dernière évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat de l'ONU a révélé qu'il n'y a aucun moyen de limiter ou de ramener le réchauffement climatique à 1,5 ˚C sans éliminer quelque part entre 100 milliards et un billion de tonnes métriques de dioxyde de carbone d'ici la fin du siècle. Dans le haut de gamme, cela signifie inverser près de trois décennies d'émissions mondiales au rythme actuel.

Il existe plusieurs façons d'extraire le dioxyde de carbone de l'atmosphère. Ils comprennent la plantation de nombreux arbres, la restauration des prairies et d'autres zones qui retiennent naturellement le carbone dans les sols, et l'utilisation de plantes suceuses de dioxyde de carbone et d'autres formes de biomasse comme source de carburant, mais capturant toutes les émissions lorsqu'elles sont utilisées (un processus connu sous le nom de bio -énergie avec captage et stockage du carbone).

Mais un rapport des National Academies des États-Unis en octobre a révélé que ces approches à elles seules ne suffiraient probablement pas à empêcher un réchauffement de 2 °C, du moins pas si nous voulons manger. En effet, la quantité de terres nécessaires pour capturer autant de dioxyde de carbone se ferait au détriment d'une énorme quantité de production alimentaire agricole.

Une vue rapprochée des matériaux capturant le carbone dans une configuration semblable à de l'herbe, une conception antérieure qui libère du dioxyde de carbone lorsqu'elle est placée dans une serre. Spencer Lowell

L'attrait des dispositifs de capture directe de l'air comme ceux que Lackner et d'autres développent est qu'ils peuvent aspirer la même quantité de dioxyde de carbone sur beaucoup moins de terrain. Le gros problème est qu'actuellement, il est beaucoup moins cher de planter un arbre. Au coût actuel d'environ 600 dollars la tonne, la capture d'un billion de tonnes représenterait quelque 600 billions de dollars, soit plus de sept fois le PIB annuel mondial.

Dans un article publié l'été dernier, Keith de Harvard a calculé que le système de capture directe de l'air qu'il avait aidé à concevoir pourrait éventuellement coûter moins de 100 dollars la tonne à pleine échelle. Carbon Engineering, basée en Colombie-Britannique, est en train d'agrandir son usine pilote pour augmenter la production de carburants synthétiques, créés en combinant le dioxyde de carbone capturé avec de l'hydrogène. Ceux-ci, à leur tour, seront convertis en formes de diesel et de carburéacteur considérés comme neutres en carbone, car ils ne nécessitent pas de déterrer des combustibles fossiles supplémentaires.

Si la méthode de Keith peut capturer le dioxyde de carbone pour 100 dollars la tonne, ces carburants synthétiques pourraient être vendus de manière rentable sur des marchés bénéficiant d'un soutien public, comme la Californie, avec ses normes sur les carburants renouvelables, ou l'Union européenne, dans le cadre de sa directive sur les énergies renouvelables mise à jour. L'espoir est que ces types d'opportunités précoces aideront à développer la technologie, à réduire davantage les coûts et à ouvrir de nouveaux marchés.

D'autres startups, dont Climeworks, basée en Suisse, et Global Thermostat de New York, pensent qu'elles peuvent atteindre des coûts similaires, voire inférieurs. Ils explorent des marchés comme l'industrie de la soude et les serres, qui utilisent de l'air enrichi en dioxyde de carbone pour fertiliser les plantes.

Cependant, vendre du dioxyde de carbone n'est pas une proposition facile.

La demande mondiale est relativement faible : de l'ordre de quelques centaines de millions de tonnes par an, une fraction des dizaines de milliards qu'il faudra finalement retirer chaque année, selon l'étude des National Academies. De plus, la majeure partie de cette demande concerne la récupération assistée du pétrole, une technique qui force le dioxyde de carbone comprimé dans les puits pour libérer les dernières gouttes de pétrole, ce qui ne fait qu'aggraver le problème climatique.

Une question cruciale pour les startups de capture de carbone est de savoir dans quelle mesure le marché du dioxyde de carbone pourrait croître. Des dizaines d'entreprises explorent de nouvelles façons de le mettre en œuvre. Il s'agit notamment de la société californienne Opus12, qui utilise du dioxyde de carbone pour produire des produits chimiques et des polymères, et de CarbonCure de la Nouvelle-Écosse, qui travaille avec plus de 100 fabricants de béton pour convertir le dioxyde de carbone en carbonate de calcium qui est piégé dans le béton au fur et à mesure de sa prise.

Un rapport de 2016 de la Global CO2 Initiative a estimé que le marché des produits susceptibles d'utiliser du dioxyde de carbone, notamment les carburants liquides, les polymères, le méthanol et le béton, pourrait atteindre 800 milliards de dollars d'ici 2030. Ces industries pourraient utiliser quelque 7 milliards de tonnes métriques par an. année — environ 15 % des émissions mondiales annuelles.

De telles projections sont cependant extrêmement optimistes. Et même si une telle transformation de multiples secteurs se produit réellement, elle laissera encore d'énormes quantités de dioxyde de carbone capturé qui devront être stockées en permanence sous terre.

Les centaines de bandes de polymère forment une sorte de voile qui attrape les molécules de dioxyde de carbone lorsque le vent souffle de l'air à travers l'appareil. Lackner regarde à travers un premier modèle d'un dispositif de capture d'air, avec les matériaux de piégeage du carbone façonnés en une grille. Spencer Lowell

Cela n'arrivera que si la société décide de payer pour cela, et certains sont sceptiques que nous le ferons un jour. Capturer le dioxyde de carbone de l'air - ce qui signifie prélever une seule molécule parmi près de 2 500 autres - est l'un des moyens les plus énergivores et les plus coûteux que nous puissions imaginer pour lutter contre le changement climatique. La capture directe de l'air coûte plus cher que d'éviter les émissions, mais pour le moment, nous ne sommes même pas disposés à dépenser l'argent supplémentaire pour le faire, déclare Ken Caldeira, climatologue à la Carnegie Institution. Donc, l'idée que nous allons arriver à des émissions négatives à l'échelle de la civilisation grâce à la capture d'air, pour moi, semble être un fantasme.

Robots de fabrication de robots

Une nuit d'été en 1992, alors que Lackner était chercheur au Laboratoire national de Los Alamos, lui et un collègue physicien des particules buvaient une bière et se plaignaient du manque d'idées scientifiques audacieuses. Un ou deux verres plus tard, ils en eurent un à eux : qu'est-ce qui deviendrait possible si les machines pouvaient construire des machines ? À quelle taille et à quelle vitesse pourriez-vous fabriquer des choses ?

Ils ont rapidement réalisé que la seule façon dont le système fonctionnerait était de concevoir des robots qui extrayaient toutes leurs propres matières premières de la terre, construisaient des panneaux solaires pour alimenter le processus et faisaient de plus en plus de copies d'eux-mêmes.

Le lendemain matin, Lackner et son ami, Christopher Wendt de l'Université du Wisconsin-Madison, ont décidé qu'ils avaient une idée à explorer. Ils ont finalement publié un article travaillant sur les mathématiques et explorant plusieurs applications, y compris des robots auto-répliquants qui pourraient capturer des quantités massives de dioxyde de carbone et les convertir en roche carbonatée.

Mon argument a toujours été que nous devons être passifs, dit Lackner. Nous voulons être un arbre debout dans le vent et transporter le CO2 jusqu'à nous.

L'armada de robots, les panneaux solaires, les machines de conversion du carbone et les tas de roches connaîtraient tous une croissance exponentielle, atteignant la taille continentale en moins d'une décennie, conclut l'article. La conversion de 20% du dioxyde de carbone dans l'atmosphère générerait une couche de roche de 50 centimètres (20 pouces) d'épaisseur couvrant un million de kilomètres carrés (390 000 miles carrés) - une zone de la taille de l'Égypte.

Le hic, bien sûr, c'est que les machines auto-réplicantes n'existent pas. Lackner est passé de cette partie du plan et s'est brièvement concentré sur l'énergie solaire en remplacement des combustibles fossiles. Mais plus il étudiait le problème, plus il en venait à croire que les sources renouvelables auraient du mal à rivaliser avec le prix, l'abondance et la densité énergétique du charbon, du pétrole et de l'essence.

Cela m'a suggéré que l'énergie basée sur les combustibles fossiles ne se contentera pas de rouler et de mourir, dit-il. Mais peut-être que si les technologies d'élimination du carbone étaient suffisamment bon marché, pensait-il, vous pourriez forcer les fournisseurs de combustibles fossiles à nettoyer après eux-mêmes.

Quelques années plus tard, Lackner a publié un article intitulé Extraction du dioxyde de carbone de l'air : est-ce une option ? Il a fait valoir que c'était techniquement faisable et pourrait être possible pour aussi peu que 15 $ la tonne. (Il pense maintenant que le prix plancher se situe probablement entre 30 et 50 dollars la tonne.)

En 2001, Lackner a déménagé à l'Université de Columbia, où il a cofondé Global Research Technologies, le premier effort pour commercialiser la capture directe de l'air. Gary Comer, fondateur de la société de vêtements et de meubles Lands' End, a remis à la société 8 millions de dollars de ce que Lackner décrit comme du capital d'aventure, et non du capital-risque.

L'entreprise a construit un petit prototype mais a rapidement manqué d'argent. Un groupe d'investisseurs a acheté la participation majoritaire, l'a déplacée à San Francisco et l'a rebaptisée Kilimanjaro Energy. Lackner a été conseiller et membre du conseil d'administration. Mais il a discrètement fermé ses portes après avoir échoué à lever plus d'argent.

Malgré ces échecs, Lackner a continué à essayer de trouver un moyen de capturer l'air de manière économique et efficace. Il a publié plus de 100 articles scientifiques et éditoriaux sur le sujet et déposé plus de deux douzaines de brevets.

Certains critiques scientifiques, cependant, ont trouvé les projections de Lackner non seulement fausses mais aussi dangereuses. Ils craignaient que prétendre que le captage direct de l'air puisse être fait à moindre coût et facilement réduirait la pression pour réduire les émissions. En 2011, deux études ont conclu que la technologie coûterait entre 600 et 1 000 dollars la tonne.

Howard Herzog, chercheur principal à la MIT Energy Initiative, qui a co-écrit l'une des études, a franchi une étape supplémentaire en suggérant que certains fournisseurs de la technologie étaient des vendeurs d'huile de serpent. Dans une interview l'année dernière, Herzog m'a dit qu'il parlait principalement de Lackner. Il était celui qui était vraiment là-bas, dit-il.

Beaucoup ont lu les conclusions des deux articles comme un glas pour la capture aérienne directe. Lackner est resté ferme, déclarant à la revue Nature après la publication de la première des études : Ils ont prouvé qu'un moyen spécifique de capturer le dioxyde de carbone de l'air est coûteux. Si vous étudiez les pingouins, vous pourriez sauter à la conclusion que les oiseaux ne peuvent pas voler.

Spencer Lowell

En 2014, lui et son cofondateur de Global Research Technologies, Allen Wright, ont créé le Center for Negative Carbon Emissions à Arizona State, où ils ont continué à essayer de faire décoller leur propre jeune.

Planter des forêts synthétiques

Au cœur de la conception du Center for Negative Carbon Emissions se trouve un type particulier de résine échangeuse d'anions disponible dans le commerce. Alors que le vent transporte le dioxyde de carbone dans l'air à travers ces bandes de polymère, les ions chargés négativement se lient aux molécules de gaz et les convertissent en bicarbonate, le principal composé du bicarbonate de soude et des antiacides.

La machine se rétracte ensuite, tirant ces bandes saturées dans le récipient et le pompant plein d'eau. L'eau commence à convertir les molécules de bicarbonate en ions carbonate.

Au fur et à mesure que l'eau s'écoule, ces composés deviennent instables et se transforment en dioxyde de carbone dans l'air à l'intérieur du récipient. L'air désormais riche en dioxyde de carbone peut ensuite être aspiré à travers un tube et dans un ensemble adjacent de réservoirs.

Étant donné que le dioxyde de carbone est relativement dilué dans l'air, la plupart des autres approches de capture directe utilisent de grands ventilateurs pour souffler de l'air sur les matériaux de liaison afin de piéger davantage de gaz. Ils utilisent ensuite la chaleur pour conduire les réactions ultérieures qui libèrent le dioxyde de carbone. Ces deux étapes consomment plus d'énergie. En revanche, dit Lackner, son approche et celle de Wright ne nécessitent qu'un peu d'électricité pour étendre et rétracter la machine, pomper l'eau et aspirer l'air.

Mon argument a toujours été que nous devons être passifs, dit Lackner. Nous voulons être un arbre debout dans le vent et transporter le CO2 jusqu'à nous.

Mais il y a de gros inconvénients à cette méthode. Il ne fonctionne que lorsque le vent souffle et n'a de sens que dans les zones sèches, car l'humidité permet au dioxyde de carbone de s'échapper. De plus, la concentration de carbone capturé dans le gaz résultant est inférieure à 5 %, contre environ 98 % pour une installation de Carbon Engineering ou Climeworks.

Une question cruciale pour les startups de capture de carbone est de savoir dans quelle mesure le marché du dioxyde de carbone pourrait croître. Des dizaines d'entreprises explorent de nouvelles façons de le mettre en œuvre.

Ce faible niveau convient parfaitement à la fertilisation des plantes dans les serres. Mais c'est un petit marché, et Lackner a de plus grands projets.

Il imagine des milliers de ces machines extraire du dioxyde de carbone du ciel dans une partie sèche et chaude du monde, tandis que des panneaux solaires adjacents pilotent un processus d'électrolyse qui extrait l'hydrogène de l'eau. Le dioxyde de carbone et l'hydrogène pourraient ensuite être combinés sur place pour produire des milliers de barils par jour de carburant synthétique, qui pourraient être vendus pour le chauffage ou le transport, ou utilisés pour alimenter le réseau électrique lorsque des énergies renouvelables comme l'éolien et le solaire sont signalées.

Ce plan pose cependant plusieurs défis. L'électrolyse est encore très chère. Et ils auraient besoin de comprimer le dioxyde de carbone à la concentration nécessaire tout en éliminant la vapeur d'eau, l'azote et l'oxygène.

C'est possible, mais cela pourrait augmenter considérablement les coûts et les besoins énergétiques. C'est un élément important et important qu'il passe un peu sous silence, déclare Jennifer Wilcox, professeur au Worcester Polytechnic Institute et coauteur du rapport des National Academies.

Certains pensent que les atouts de Lackner en tant que théoricien et homme d'image ne lui ont pas aussi bien servi à traduire ces idées en avancées nécessaires en science des matériaux et en chimie. Notamment, le projet du Center for Negative Carbon Emissions est loin derrière Carbon Engineering, Climeworks et Global Thermostat, qui amassent des capitaux, embauchent du personnel et construisent des installations de démonstration sinon à l'échelle commerciale.

Mais Lackner reste convaincu que son approche sera moins coûteuse que celles de la concurrence. Je peux le présenter processus unitaire par processus unitaire, et en termes de premiers principes, à chaque étape, nous sommes un peu moins chers, dit-il.

Problème profond

Que pense Lackner lui-même des perspectives de la technologie plus de deux décennies après avoir commencé cette voie de recherche ? Ce n'est pas une réponse simple. Lackner ne fait pas vraiment de réponses simples. Lors d'une promenade sur le campus bordé de palmiers de l'université à Tempe, il dit qu'il reste convaincu que la capture directe de l'air est faisable et pense que cela pourrait devenir beaucoup moins cher s'il pouvait atteindre une échelle commerciale.

Mais je suis moins optimiste quant à la volonté politique de franchir ce seuil, dit-il.

Compte tenu des coûts initiaux élevés et des marchés limités, il pense que la technologie nécessitera un financement gouvernemental important ou des réglementations strictes pour être largement adoptée, et un soutien gouvernemental accru pour couvrir le coût de la capture et de l'enfouissement de la majorité du dioxyde de carbone qui ne peut pas être utilisé. . Il pense que nous devrons traiter le dioxyde de carbone comme des eaux usées, obligeant les consommateurs ou les entreprises à payer pour sa collecte et son élimination, que ce soit en taxes ou en redevances.

Mais après des décennies d'action politique relativement faible sur le changement climatique et de résistance publique farouche aux taxes sur le carbone, il craint que le monde ne revienne pas à cette façon de penser tant que les souffrances des catastrophes climatiques ne deviendront pas trop horribles pour être ignorées.

Ce dont il est sûr, après avoir passé plus de temps que quiconque à s'interroger sur l'élimination du carbone, c'est que nous en aurons besoin. Je suis le premier à admettre que la capture d'air n'est pas prouvée - et ce n'est certainement pas prouvé à grande échelle, dit Lackner. Mais nous avons de gros problèmes si nous ne pouvons pas le comprendre.

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