Décryptage : le cycle court du carbone

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atmosphère terrestre

Pour bien saisir les avancées écologiques que représentent les biofuels, les biogaz et les biomatériaux, il est nécessaire de comprendre la notion de "cycle court du carbone". En discutant autour de moi, je me suis rendue compte que cette notion était encore trop méconnue du grand public. "Puisque l'utilisation des biofuels produit autant de carbone que les fuels classiques, alors quel est leur intérêt ?" Eh bien, ce n'est pas dans la combustion que réside l'avantage des biofuels, mais bien dans leur fabrication : leur cycle de vie de repose sur un cycle court du carbone, à l'inverse des ressources fossiles. Qu'est-ce que cela signifie ?

Etat des lieux du carbone

Le carbone est l'un des principaux élément chimique sur Terre. Cet atome se trouve partout et en perpétuel mouvement : dans l'eau, dans l'air, dans les sols... Nous, êtres vivants, sommes aussi carbone. Cet atome est à l'origine de la vie sur Terre. D'une part, le carbone, avec l'hydrogène, l'oxygène et l'azote, est un composant majeur de la vie telle qu'on la connait. D'autre part, le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre, qui a offert à la planète la chaleur suffisante pour abriter cette vie. Pourtant, le terme "carbone" est aujourd'hui lié à une connotation péjorative, en raison de son rôle dans le changement climatique.

Notre planète possède quatre grands "réservoirs" de carbone :

  • La lithosphère (sols et sous-sols) est le plus grand réservoir de carbone sur Terre. Le carbone y est présent sous forme de roches sédimentaires d'hydrocarbures.
  • L'hydrosphère (mers, océans, lacs et rivières) contient du carbone principalement sous forme de dioxyde de carbone dissous (CO2 (l)), qui est responsable de l'acidification des océans.
  • L'atmosphère contient beaucoup moins de carbone que les deux précédents réservoirs, mais ses fluctuations ont une incidence importante sur le climat et la température. Le carbone y est présent sous forme de dioxyde de carbone (CO2), mais aussi de méthane (CH4) et de chlorofluorocarbures (CFCs).
  • La biosphère, le plus petit des 4 réservoirs, est constituée de tous les organismes vivants : les végétaux et les animaux, mais également les bactéries, les champignons, les phytoplanctons...). Le carbone y est majoritairement présent sous forme organique.


Les principaux processus de transformation du carbone

Le carbone circule continuellement entre les différents réservoirs. Si certains flux sont rapides, d'autres nécessitent des milliers, voir des millions d'années. Globalement, l'ensemble de ces processus est naturellement équilibré.

Schéma traduit de l'anglais, développé pour EarthLab (distribué sous license CC BY-NC-SA 3.0)
cycle du carbone

Pour commencer, l'échange entre l'atmosphère et l'hydrosphère est basé sur des équilibres physico-chimiques rapides. Les gaz sont dissous dans l'eau, ou relargués en fonction de la température, la pression, les conditions climatiques... La réaction du CO2 dissous avec l'eau contribue a acidifier les océans et produit de l'hydrogénocarbonate (HCO3-). Ce dernier, par une suite d'équilibres physico-chimiques ou par l'action d'organismes aquatiques (formation de coquille...), se dépose partiellement dans les sédiments profonds sous forme de carbonate de calcium (calcaire). Cet ensemble de processus représente le plus grand potentiel d'immobilisation du carbone atmosphérique dans la lithosphère.

Par ailleurs, la biomasse (végétaux supérieurs, algues et phytoplanctons) fixe le carbone par photosynthèse. A l'inverse, la respiration des organismes vivants relargue du carbone dans l'atmosphère. Une partie de la biomasse morte est rendue à l'atmosphère par le processus de décomposition et la respiration du sol (décomposition de la biomasse morte dans les sols et respiration des microorganismes du sol), ou encore en cas d'incendies. La biomasse morte contribue, dans une moindre mesure, à l'immobiliser du carbone dans la lithosphère (sols ou sédiments océaniques). Elle est notamment à l'origine des charbons et hydrocarbures.

Contrairement aux processus qui mettent en jeu la biomasse ou les équilibres entre espèces chimiques, l'immobilisation du carbone dans la lithosphère suit un processus très lent. Le carbone immobilisé dans la lithosphère est naturellement remobilisé plusieurs millions d'années plus tard, via l'activité volcanique. C'est le "cycle géologique" du carbone.


Qu'en est-il du "cycle court du carbone" ?

Depuis la révolution industrielle, l'équilibre naturel du cycle du carbone est largement perturbé, à plusieurs niveaux. L'utilisation massive de ressources fossiles augmente les émissions de carbone dans l'atmosphère en remobilisant des éléments sensés rester dans la lithosphère sur une échelle de temps géologiques. Par la déforestation et la dégradation des sols, le potentiel d'immobilisation du carbone dans le réservoir biomasse est largement affaibli.

Dans une logique environnementale, les activités de l'homme doivent aspirer à rétablir l'équilibre du cycle du carbone. C'est là qu'intervient la notion de "cycle court du carbone", soit l'ensemble des processus de transformation rapide du carbone (une 100aine d'années ou moins). Cela concerne surtout les processus mettant en jeu la biosphère. Les biofuels, par exemples, sont produits à partir de biomasse (végétaux, algues...), laquelle a immobilisé du carbone dans ses tissus lors de sa croissance. Ainsi, le carbone répandu dans l'atmosphère par combustion d'un biofuel n'est autre que celui qui a été immobilisé quelques années auparavant pour la production de la biomasse. De plus, les sous-produits de production des biofuels, s'ils sont utilisés en épandage, peuvent contribuer à l'enrichissement des sols et à l'immobilisation de matière organique dans la lithosphère. Le bilan du cycle du carbone est ici globalement neutre, contrairement au cas des fuels fossiles. Il en est de même pour les biogaz, ou autres composés biosourcés, dont Biodiversidées présente plusieurs exemples (production de biogaz, de biofuels ou de biobitumes).

Lors du siècle dernier, les innovations se sont concentrées uniquement sur l'aspect "utilisation" des produits. A l'ère qui s'ouvre à nous, la globalité du cycle de vie du produit importe dans le développement technologique (ou biotechnologique), de la production jusqu'au recyclage, afin de s'inscrire correctement dans les cycles naturels des éléments.

Références

Cours dispensé par EarthLab (très complet) : The Carbon Cycle: What Goes Around, Comes Around
Document du projet éducatif "GLOBE Carbone Cycle" : An Introduction to the Global Carbon Cycle
Ressources du CEA : L’essentiel sur… le cycle du carbone
"Planète Terre" par Pierre-André Bourque, Université de Laval, Québec : Le cycle du carbone
Ensemble des graphiques de données récentes (2014) : Global Carbon Budget 2014

Wikipedia : Carbone, cycle du carbone, lithosphère, hydrosphère, atmosphère et biosphère

Photo : Earth Day_image par NASA's Marshall Space Flight Center distribuée sous licence CC BY-NC 2.0

3 commentaires

#1 Alexi -

On parle des voitures électriques pour limiter les émissions de carbone mais leur bilan environnemental n'est guère reluisant...

#2 Dany -

@Alexi : Merci pour cette remarque. J'ai une amie chercheur en piles à combustibles qui ne pourrait pas vous laisser dire ça sans réagir :D
Tout dépend de l'angle sous lequel on voit les choses. En ce qui concerne les extractions de métaux, effectivement, ce n'est pas reluisant (et c'est peu dire)... En revanche, du point de vue du réchauffement climatique (là ou se trouve la principale urgence à mon avis), les voitures électriques sont une avancée certaine si l'électricité utilisée est issue d'énergies renouvelables ou d'hydrogène produit naturellement (eh oui, apparemment, ça existe aussi).
Finalement, le meilleur remède pour limiter les émission de carbone et autres pollutions ne s’arrête pas forcément à inventer de nouvelles technologies (biofuels, voitures électriques...). Il s'agit surtout de consommer moins et de privilégier les circuits courts...

#3 Gwenn -

Effectivement, je ne peux pas laisser dire ça sans réagir…
Les technologies actuelles qui font fonctionner les véhicules électriques (principalement batteries et piles à combustible) ont en effet aujourd’hui un bilan environnemental assez mitigé. Si l’on prend en compte le cycle de vie complet d’une telle technologie, de sa fabrication jusqu’à son recyclage complet, en passant par la production du combustible (électricité ou hydrogène), ces procédés ont un impact néfaste sur l’environnement.
Mais il faut surtout garder en tête que la recherche sur les moteurs électriques est relativement jeune comparée à celle sur les moteurs thermiques. De nombreuses études sont réalisées pour rendre ces systèmes à faible impact environnemental : comme le disait Dany, la production de l’hydrogène ou de l’électricité peut se faire de façon propre, les chercheurs travaillent aussi sur des systèmes de recyclage des métaux, etc... Là où les moteurs électriques sont très intéressants c’est que leur utilisation n’engendre pas de dioxyde de carbone et tout l’intérêt des investigations scientifiques est la production de ces moteurs avec un cycle de vie intelligent.

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