Les océans pourraient assumer l’absorption du surplus de dioxyde de carbone et autres gaz émis par l’humanité.

Une récente découverte d’une équipe de chercheurs indiquent que les océans pourraient assumer l’absorption du surplus de dioxyde de carbone et autres gaz émis par l’humanité.

Les mers et océans vont jouer un rôle actif dans l’absorption du dioxyde de carbone. Les scientifiques explorent diverses approches, telles que la promotion de processus naturels dans les océans pour absorber plus efficacement le CO2, avec le but de contribuer à la réduction des émissions de gaz à effet de serre et à la lutte contre le réchauffement planétaire.

/// Colorant rose introduit dans le port d’Halifax. Dans le cadre d’un projet de recherche à long terme visant à étudier comment le dioxyde de carbone pourrait être neutralisé dans les océans du monde. ///

Cette perspective met en lumière le rôle potentiellement crucial des océans dans la régulation du dioxyde de carbone et des autres gaz atmosphériques. Les scientifiques explorent diverses approches pour accélérer les conclusions. Le processus naturel des océans à absorber le CO2 efficacement est une piste sérieuse, cela contribuerait à une réduction rapide des émissions de gaz à effet de serre.

Une centrale électrique alimentée au gaz naturel alimenté par de l’eau de mer utilisée pour refroidir ses tuyauteries contient un colorant rouge (rhodamine) et une suspension d’hydroxyde de magnésium blanc, c’est l’ingrédient principal de l’antiacide (lait de magnésie, disponible en pharmacie). Ce minéral alcalin devrait augmenter le pH dans l’eau de mer environnante, déclenchant ainsi une réaction chimique qui absorbe le CO2 de l’atmosphère et le convertit en bicarbonate, un ion qui peut flotter à travers l’océan sans être perturbé pendant des millénaires.

Cette réaction relativement simple a attiré une foule de philanthropes, de responsables gouvernementaux et d’entrepreneurs climatiques. L’alarme croissante concernant la rapidité du réchauffement climatique et la perspective d’un marché pour les crédits de capture du carbone, qui pourrait atteindre 1 billion de dollars d’ici le milieu de la prochaine décennie, stimule une grande partie de cette activité. Des chercheurs qui n’avaient autrefois que peu d’intérêt pour manipuler le climat, se joignent à la foule, attirés par un afflux de financements de recherche et le désir de comprendre les promesses et les dangers liés à l’ajout de substances alcalines dans les océans du monde à des quantités pouvant atteindre des milliards de tonnes.

Les défenseurs soutiennent que cette approche, si elle est mise en œuvre à grande échelle, pourrait absorber autant de gaz à effet de serre de l’atmosphère que la forêt amazonienne, contribuant ainsi à maintenir le réchauffement climatique en dessous de 2 °C. Ils affirment également qu’elle comporte moins de risques que d’autres méthodes potentielles pour introduire du CO2 dans les océans, comme la fertilisation des eaux pour déclencher d’énormes floraisons d’algues.

Cependant, des questions persistent quant à la quantité réellement capturable de carbone et aux effets secondaires environnementaux possibles si les humains commencent à manipuler l’océan à une telle échelle. Une ‘expérience pret de la ville d’Halifax, l’une des premières en son genre, offre un aperçu de ce futur potentiel et des nombreuses questions scientifiques sans réponse qui l’entourent.

/// La start-up océanique Planetary Technologies fait à nouveau la une de manière positive. Il est gratifiant de constater que le lauréat d’Oceanshot de notre défi #OceanStartupChallenge 2021 continue de réaliser des avancées technologiques. ///

L’océan contient déjà environ 40 billions de tonnes de carbone

Une quantité qui surpasse largement les environ 1 billion de tonnes présentes dans l’air et les 3,5 billions de tonnes dans les écosystèmes terrestres. Une partie provient des plantes et animaux marins dont les cadavres et les excréments coulent jusqu’au fond de l’océan. Cependant, la grande majorité, soit plus de 90 %, se présente sous la forme de deux ions inorganiques, le carbonate et le bicarbonate.

Ce trésor de carbone stocké a augmenté, nous préservant des pires effets du changement climatique. À mesure que les humains injectent du CO2 dans l’air, une partie est absorbée à la surface de l’océan, où elle subit une cascade de réactions qui transfèrent le carbone d’une molécule à une autre, le logeant finalement principalement sous forme de bicarbonate. Ce processus a absorbé environ 30 % de toutes les émissions de carbone depuis le milieu du XIXe siècle.

Ces réactions dépendent de la présence de minéraux alcalins présents dans des roches telles que le calcaire, qui sont dissous par l’eau de pluie et emportés dans la mer. Une fois dissous, ces minéraux libèrent des ions hydroxyde qui peuvent se combiner avec le CO2 pour former du bicarbonate.

Ce processus naturel finira par absorber la majeure partie du CO2 excédentaire que nous injectons dans l’atmosphère. Cependant, cela prendra des milliers d’années. C’est pourquoi certains scientifiques et entrepreneurs veulent accélérer le processus avec des ions hydroxyde supplémentaires, l’équivalent alcalin d’une injection d’adrénaline.

EXPÉRIENCE AVEC LE PDG DE PLANETARY TECHNOLOGIES

Il se tient près des cheminées de la centrale électrique d’Halifax, il verse le combustible de l’expérience de son entreprise dans sa main. La poudre blanche semblable à de la farine, une forme minérale d’hydroxyde de magnésium appelée brucite, est mélangée avec de l’eau de mer dans des réservoirs en plastique de la taille d’une camionnette, créant un mélange ressemblant à un milkshake à la vanille. Une touche de colorant non toxique est ajoutée afin que les observateurs puissent facilement suivre sa dispersion dans l’océan, et le cocktail rose est progressivement versé dans un flux d’eau de mer quittant la centrale électrique.

/// Le minéral alcalin, la brucite, peut augmenter le pH de l’eau de l’océan et déclencher des réactions de capture du dioxyde de carbone. ///

Pendant près de 2 mois, la société de Kelland prévoit d’envoyer 280 tonnes de brucite dans le port, en prélude à des libérations plus importantes dans les années à venir. Il estime que l’événement d’octobre incitera l’eau de mer à absorber plus de 200 tonnes supplémentaires de CO2 de l’atmosphère. Après avoir pris en compte les émissions produites lors de l’extraction et de l’expédition de la brucite depuis la Chine, le bilan final, dit-il, devrait se traduire par au moins 100 tonnes de moins de CO2 contribuant au réchauffement de la planète. « C’est vraiment à l’échelle de l’essai », déclare Kelland, entrepreneur en logiciels et ingénieur électricien qui a fondé l’entreprise en 2019. Mais si le processus était étendu à des installations plus importantes et à des opérations 24 heures sur 24, « on regarde cela et on se dit, « c’est un changement potentiel majeur ».

KELLAND EST LOIN D’ÊTRE LE SEUL À VOIR UNE OPPORTUNITÉ COMMERCIALE DANS L’AMÉLIORATION DE L’ALCALINITÉ DES OCÉANS.

Au cours des 4 dernières années, au moins quatre autres entreprises nord-américaines ont commencé à poursuivre des projets similaires. L’une d’entre elles, Project Vesta, a répandu en 2022 un minéral alcalin appelé olivine sur une plage de Long Island pour tester si cela entraînerait des eaux plus alcalines lorsque les vagues emportent le matériau vers la mer. Une autre, Calcarea, développe une méthode pour faire passer les gaz d’échappement riches en CO2 des navires en mer à travers une solution alcaline avant de les déverser par-dessus bord. Plusieurs entreprises souhaitent construire des usines de traitement de l’eau de mer qui utiliseront de l’électricité pour augmenter l’alcalinité et capturer le CO2 dissous dans l’eau. L’une d’entre elles, Equatic basée à Los Angeles, a des petites installations de test en Californie et à Singapour.

La société Equatic se prépare à construire une plus grande usine à Singapour capable de capturer 5000 tonnes de CO2 par an. « C’est au niveau et à l’échelle de ce que vous feriez avant de lancer des produits commerciaux à grande échelle », déclare Gaurav Sant, ingénieur à l’Université de Californie, Los Angeles, qui a co-fondé l’entreprise.

Si ces entreprises réussissent à développer leurs opérations, l’industrie qui émergera sera probablement massive. Pour qu’une stratégie ait un impact significatif sur le problème, les défenseurs de la capture du carbone évoquent souvent un objectif de capturer 1 milliard de tonnes de CO2 par an, soit environ 2,5 % des émissions annuelles actuelles. Atteindre cet objectif nécessiterait l’extraction d’environ 1 milliard de tonnes de roche alcaline par an ou, dans le cas de l’approche d’Equatic, consacrer près de 8 % de la production mondiale d’électricité au traitement de l’eau de mer.

On passe à l’Ingénierie océanique

Dans le cadre des efforts pour lutter contre le changement climatique, les scientifiques explorent des moyens pour inciter l’océan à absorber davantage de dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère en modifiant sa chimie de l’eau, une stratégie connue sous le nom d’amélioration de l’alcalinité océanique.

DISTRIBUTION DE L’ALCALINITÉ

Plusieurs méthodes de distribution sont actuellement à l’étude, certaines basées sur des navires et d’autres provenant de la côte. (La couleur rose est incluse à des fins de visualisation ; le colorant n’est utilisé que dans certaines expériences.)

1 Épandage par navire

Des matériaux alcalins tels que le calcaire ou l’olivine pourraient être broyés ou dissous dans l’eau, puis versés dans l’océan depuis un navire.

2 Usines d’alcalinité

Les stations d’épuration des eaux usées ou les centrales électriques pourraient injecter des solutions alcalines dans des tuyaux menant à l’océan. Des traitements électrochimiques pourraient également augmenter le pH de l’eau de mer.

3 Érosion des plages

Des roches alcalines broyées pourraient être répandues sur les plages, où elles se laveraient progressivement dans l’océan et vont ensuite se dissoudre.

Améliorer le cycle du carbone

Augmenter l’alcalinité de l’eau de l’océan peut accélérer un processus naturel (indiqué ci-dessous dans l’ordre) qui absorbe le CO2 atmosphérique dans l’océan et le convertit en bicarbonate.

1 Maintenir l’équilibre

Le CO2 est échangé entre l’atmosphère et les eaux de surface. Avec le temps, un équilibre est atteint.

2 Ajout d’alcalinité

Lorsque les scientifiques dissolvent des substances alcalines telles que l’hydroxyde de magnésium (Mg(OH)2) dans l’océan, des ions hydroxyde (OH–) sont produits.

3 Capture de carbone

Les ions hydroxyde réagissent avec le CO2 aqueux, créant des ions bicarbonate (HCO3–), qui peuvent flotter dans l’océan pendant des millénaires.

4 Faire encore plus de place

Avec moins de molécules de CO2 dans l’eau, une partie du CO2 se déplace de l’atmosphère vers l’océan pour rétablir l’équilibre.

Tout d’abord, les entreprises doivent convaincre les acheteurs potentiels de crédits carbone dans l’industrie et le gouvernement qu’elles peuvent mesurer la quantité réellement capturée de CO2 supplémentaire.

« La plus grande question est de savoir comment nous pouvons confirmer que le dioxyde de carbone éliminé est additionnel par rapport à ce qui se produirait naturellement », déclare Sarah Cooley, océanographe chimique et responsable du programme de science climatique au sein du groupe environnemental Ocean Conservancy.

C’est là qu’intervient Atamanchuk. Étalés devant elle sur le pont du bateau de pêche dans le port d’Halifax, se trouvent divers outils équipés de capteurs. Dans le cadre d’une initiative de recherche de 11 millions de dollars financée par un consortium de philanthropes appelé l’Initiative Carbon to Sea, elle vise à localiser précisément la brucite ajoutée et à suivre l’évolution de la chimie de l’eau au fur et à mesure de sa dispersion.

Elle commence par immerger un cadre métallique d’un mètre de haut dans l’eau, équipé de matériel pour suivre la turbidité, la salinité, la température et le pH près de l’émissaire de la centrale électrique. À proximité, deux collègues observent tandis qu’un cylindre gris en forme de torpille descend sous les vagues. Il récupérera un échantillon d’eau à une profondeur de 16 mètres, qui sera analysé pour son alcalinité, son pH, sa salinité, son carbone et sa rhodamine. Un autre dispositif rose fluo télécommandé s’éloigne du bateau selon un itinéraire programmé à travers le port, recueillant encore plus de mesures.

« Le plus grand défi que je vois est de détecter un signal », déclare Atamanchuk. En Nouvelle-Écosse côtière, les niveaux naturels de pH varient considérablement avec les courants de marée qui entrent et sortent, changeant jusqu’à 70% en 6 heures. En comparaison, la brucite ajoutée pourrait augmenter le pH de l’eau de 0,1, soit environ 25%.

Il n’y a également aucune garantie que toute la brucite versée dans le port se traduira par du CO2 extrait de l’atmosphère. Les courants pourraient aspirer l’eau plus alcaline dans les profondeurs, en dessous de la zone critique en surface, où les gaz sont échangés avec l’air. Ou une partie du minéral pourrait ne pas se dissoudre et couler au fond de la mer à la place.

Si elle se dépose, la brucite pourrait même interrompre les réactions chimiques qui dissolvent les matériaux alcalins naturels présents dans les sédiments, annulant ainsi une partie des avantages climatiques. « Est-ce un gros problème? Est-ce un problème? Nous ne savons pas », déclare le biogéochimiste de Dalhousie, Chris Algar, qui étudie cette question dans le port d’Halifax.

/// Dariia Atamanchuk abaisse un dispositif qui mesurera le pH et d’autres aspects de la chimie de l’océan dans le port d’Halifax. Mathieu Dever (deuxième image) — un océanographe de la société d’instruments RBR — se prépare à déployer un planeur sous-marin télécommandé qui suivra les changements dans la chimie de l’océan. ///

Les données provenant de la flotte de capteurs d’Atamanchuk seront intégrées à un modèle détaillé du port créé par Katja Fennel, une experte en modélisation océanique de Dalhousie. Fennel a consacré une grande partie de sa carrière à prédire les zones à faible teneur en oxygène dans des endroits tels que le golfe du Mexique. Maintenant, elle souhaite prédire comment la brucite ajoutée modifiera la chimie de l’eau du port. Son modèle est alimenté par la physique océanique de base et des décennies d’observations détaillées de la chimie de l’eau et des courants, ainsi que des prévisions à court terme de la météo et des marées. Si elle parvient à affiner le modèle pour qu’il se comporte bien, l’approche pourrait être appliquée bien au-delà de Halifax, fournissant des informations sur les capteurs qui devraient flotter près d’une source d’alcalinité pour suivre les changements chimiques et guidant les estimations de la quantité de carbone absorbée par l’océan.

Jusqu’à présent, Fennel est satisfaite des résultats. Depuis son bureau sur le campus de Dalhousie, elle tourne son siège vers son écran d’ordinateur et lance une courte vidéo. Un amas violet s’étend sur une carte du port, traçant la propagation de la rhodamine à partir d’un test précédent. Certains chercheurs s’attendaient à ce que les marées changeantes fassent pulser le colorant d’avant en arrière, mais le modèle avait prévu que les vents le dirigeraient vers le sud-est. Le modèle s’est avéré correct. « Nous avons acquis une certaine confiance que le modèle est compétent », dit-elle.

UNE ERREUR POURRAIT FAIRE DÉRAILLER LES PLANS

Comme le savent très bien les défenseurs de l’amélioration de l’alcalinité océanique. Certains évoquent la controverse qui a éclaté il y a 11 ans lorsque, près de l’archipel de Haida Gwaii, au large de la côte ouest du Canada, un bateau de pêche a déversé 120 tonnes de sulfate de fer et d’oxyde de fer dans l’eau. Le fer a fertilisé la croissance du plancton, déclenchant une floraison visible depuis l’espace. Les défenseurs affirment que cette approche stimulerait les migrations de saumons.

Cette initiative privée a suscité une réaction violente de la part des écologistes qui craignaient des dommages écologiques non intentionnels. L’incident a effectivement mis fin à une branche entière de la recherche sur les conséquences de l’ajout de fer, un nutriment dont la rareté limite la croissance du plancton dans une grande partie de l’océan, aux eaux de surface. Jusqu’à ce moment-là, 13 expériences à grande échelle avaient eu lieu dans divers endroits. Aucune n’a eu lieu depuis.

Cette industrie de la capture du dioxyde de carbone a le potentiel de prendre une véritable avance sur la science, déclare Adam Subhas, océanographe chimique à l’Institut océanographique de Woods Hole. Il dirige un projet visant à étudier les effets du déversement de tonnes d’hydroxyde de sodium alcalin dans l’océan au large de la côte de la Nouvelle-Angleterre.

Contrairement aux floraisons de plancton ou aux fermes massives d’algues marines (d’autres approches proposées pour la capture du carbone dans l’océan), l’amélioration de l’alcalinité ne dépend pas d’une cascade de processus biologiques difficiles à mesurer, explique Subhas. C’est « juste une chimie acide-base simple ». Cela pourrait même être bénéfique pour les écosystèmes. Des améliorations de l’alcalinité ont déjà été utilisées pour aider les éleveurs d’huîtres à protéger leurs nurseries contre l’eau de mer acide et pour réparer les rivières et les lacs endommagés par les pluies acides.

Cependant, de nombreuses incertitudes subsistent quant à la réaction des êtres vivants. C’est pourquoi Tatjana Živković, bio-géochimiste de Dalhousie, étudie des microbes prélevés dans le port d’Halifax. Au cours de la dernière année, la chercheuse postdoctorale a versé des échantillons d’eau dans de petites bouteilles en plastique, certaines avec une dose supplémentaire d’hydroxyde de magnésium. Après avoir attendu 48 heures, plusieurs cycles de vie pour les organismes microscopiques dans l’eau, Tatjana Živković analyse l’eau avec des lasers et examine l’ADN pour déterminer combien de plancton a poussé et quelles espèces sont présentes.

“Jusqu’à présent, rien n’a soulevé d’alarme. Quand on regarde le phytoplancton, on ne voit pas beaucoup de changements dans la communauté » – Tatjana Živković

C’est un message similaire de la part de MacIntyre, l’écologiste de Dalhousie. Son équipe a élevé du phytoplancton en laboratoire, les exposant à des niveaux plus élevés d’alcalinité, puis les exposant à la lumière pour voir si leurs pouvoirs photosynthétiques sont affectés.

/// Planetary Technologies prévoit de réaliser davantage d’expériences d’amélioration de l’alcalinité océanique dans le port d’Halifax. ///

Cependant, les expériences de laboratoire à court terme ne sont pas la même chose que des expositions soutenues dans la nature. Certaines des recherches les plus ambitieuses sont dirigées par Ulf Riebesell, biologiste marin au Centre de recherche océanique GEOMAR Helmholtz à Kiel. À trois endroits dans l’océan Atlantique et la mer du Nord, son équipe a abaissé des rangées de cylindres en plastique de 20 mètres de long dans l’eau, créant d’énormes tubes d’essai océaniques auxquels de l’alcalinité peut être ajoutée.

Bien que les résultats ne soient pas publiés, Riebesell affirme qu’ils suggèrent que la méthode d’amélioration de l’alcalinité pourrait avoir une grande importance. Son équipe a observé peu de changements dans la communauté de plancton lorsqu’elle a ajouté de l’eau de mer « prétraitée » avec de l’alcalinité et laissée s’équilibrer avec le CO2 atmosphérique, une méthode que certains scientifiques considèrent comme potentiellement plus douce pour ajouter de l’alcalinité car les réactions de capture du CO2 ont lieu avant que la solution alcaline n’atteigne l’océan. Mais deux autres tests impliquant l’ajout direct de substances alcalines ont montré des effets. Un mélange simulant de l’olivine, qui a libéré de grandes quantités de silicate, a stimulé la croissance des diatomées, qui construisent leur squelette à partir de silice ; et un test utilisant de l’hydroxyde de calcium a modifié le calendrier des floraisons de phytoplancton et a réduit la biomasse globale du zooplancton aux doses les plus élevées d’alcalinité.

Les recherches du laboratoire de Riebesell suggèrent également que des métaux tels que le nickel, qui peuvent être présents dans les roches alcalines, pourraient avoir des effets nocifs. Dans une expérience récente, deux espèces de phytoplancton étaient insensibles au métal, mais une espèce a poussé plus lentement même lorsqu’elle était exposée à des quantités relativement faibles. Les résultats laissent penser que des minéraux imprégnés de nickel pourraient modifier l’équilibre du plancton dans un écosystème.

Pourtant, Riebesell reste optimiste quant à cette approche de capture du carbone, en supposant que des expériences plus grandes et de plus longue durée confirment ses promesses. « Je soupçonne qu’à la fin de la journée, nous conclurons que, fait avec précaution et en évitant les seuils écologiques, les avantages de l’amélioration de l’alcalinité océanique l’emporteront sur les risques potentiels. »

LA RECHERCHE SUR L’AMÉLIORATION DE L’ALCALINITÉ OCÉANIQUE EN EST À SES DÉBUTS.

Mais tout indique qu’elle va progresser rapidement. « Si vous aviez prédit il y a 3 ans que je serais presque exclusivement concentrée sur cela maintenant, j’aurais ri », déclare Fennel. L’explosion d’activité scientifique a été alimentée par un flux croissant de fonds de recherche provenant d’entreprises, d’universités, de philanthropes et de gouvernements. Le financement pour les travaux de Fennel et d’Atamanchuk fait partie d’un investissement de 50 millions de dollars de l’organisation à but non lucratif Carbon to Sea. Dalhousie a récemment dévoilé une initiative de 400 millions de dollars canadiens pour étudier le rôle de l’océan dans le changement climatique, en mettant l’accent sur les méthodes de capture du carbone. Aux États-Unis, la National Oceanic and Atmospheric Administration a annoncé en septembre 24 millions de dollars de subventions de recherche pour l’élimination du carbone dans l’océan, dont 65 % sont destinés à des travaux liés à l’alcalinité. Et en Europe, le gouvernement allemand s’est récemment engagé à hauteur de 11,6 millions d’euros pour la recherche sur l’alcalinité. L’intérêt croissant pousse les décideurs à se dépêcher pour suivre le rythme d’une industrie pour laquelle peu de réglementations ont été élaborées. En octobre, le Bureau de la politique scientifique et technologique de la Maison Blanche a annoncé la formation d’un comité « fast-track » pour élaborer une politique cohérente en matière d’élimination du CO2 marin. « Si cela doit se développer en une nouvelle industrie, nous voulons le faire d’une manière qui repose sur une bonne science dès le début », déclare l’océanographe Scott Doney, directeur adjoint du bureau pour la science et la politique climatique océanique.

Il y a deux ans, Doney, alors à l’Université de Virginie, a présidé un comité des National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine qui a publié un rapport demandant 1,3 milliard de dollars de financement pour étudier l’élimination du carbone dans l’océan. Aujourd’hui, il voit les débuts de cet investissement et les défis potentiellement épineux qu’il pose. Parmi eux, la nécessité de réglementations régissant les ajouts d’alcalinité à l’échelle expérimentale et industrielle, des protocoles pour surveiller tout dommage environnemental, et des recherches sur les répercussions potentielles de l’extraction de quantités massives de minéraux alcalins ou sur l’utilisation intensive de l’électricité pour augmenter le pH de l’eau de mer. De nombreux acteurs de l’industrie sont désireux de passer à l’échelle supérieure et d’obtenir l’approbation pour de grands projets. Cependant, ils hésitent à prendre trop d’avance, explique Sarah Cooley de l’Ocean Conservancy. Les premiers à se lancer seront les premiers à naviguer dans des eaux réglementaires non testées, à affronter des énigmes techniques et à séduire un public méfiant face aux projets visant à reconfigurer la planète pour lutter contre le changement climatique. « Tout le monde se presse pour être le deuxième », dit-elle. « Personne ne veut être le premier. Parce qu’ils veulent juste que celui qui est le premier ouvre la voie. »