REACH 2025: L’avenir de l’énergie
Par Tyler Irving
Les membres du CIFAR vont au-delà des sources traditionnelles pour trouver des solutions durables
Le monde a besoin d’énergie. Elle est le moteur de tout ce que nous faisons, des transports à la fabrication, en passant par le simple chauffage et l’éclairage de nos maisons. Comme la population mondiale est en croissance et que le niveau de vie continue d’augmenter, la demande énergétique devrait s’accroître pendant un avenir prévisible.
Par ailleurs, bon nombre de nos sources d’énergie actuelles sont associées à d’importants inconvénients. Elles polluent l’air et l’eau et produisent le dioxyde de carbone à l’origine des changements climatiques. Pour satisfaire nos besoins et atteindre nos objectifs en matière d’émissions, il faudra modifier radicalement le mode de production, de stockage et d’utilisation de l’énergie.
Grâce à des programmes comme Terre 4D : Science et exploration du sous-sol et Accélération de la décarbonisation, les membres du CIFAR vont au-delà des paradigmes existants, à la fois pour trouver de nouvelles sources d’énergie plus durables et pour mieux exploiter celles dont nous disposons déjà.
À la recherche d’hydrogène
Combustible producteur de chaleur ou élément d’une pile à combustible qui produit de l’électricité à la demande, l’hydrogène ne dégage aucune émission de carbone, ce qui le rend très intéressant en tant que source d’énergie de substitution.
Malheureusement, l’hydrogène de nos jours est le plus souvent un sous-produit de l’industrie des combustibles fossiles, les gisements naturels d’hydrogène pur étant considérés comme rares. Mais la situation est peut-être en train de changer.
« Nous savons depuis longtemps que dans les profondeurs de l’océan, l’eau peut s’infiltrer dans les fissures des zones volcaniques actives, où elle réagit avec la roche pour produire de l’hydrogène », explique Barbara Sherwood Lollar, professeure au département des sciences de la Terre de l’Université de Toronto et coresponsable du programme Terre 4D.
L’hydrogène émerge des cheminées hydrothermales, aussi appelées « fumeurs noirs », et des écosystèmes entiers survivent grâce à l’hydrogène ainsi produit.
« Mais le même phénomène se produit également avec les roches continentales. Comme celles-ci sont plus froides, le taux [de production d’hydrogène] est différent, mais les réactions sont les mêmes. »
Des étudiants du laboratoire de Barbara Sherwood Lollar à l’Université de Toronto échantillonnent des eaux souterraines, des gaz dissous et des microorganismes, à des kilomètres sous la surface de la Terre. Photos reproduites avec l’aimable autorisation du Laboratoire des isotopes stables de l’Université de Toronto.
En 2014, Sherwood Lollar et ses collègues ont publié un article dans la revue Nature dans lequel ils estiment qu’à l’échelle mondiale, les roches continentales, qui constituent les masses terrestres, produisent à peu près autant d’hydrogène que les systèmes des fonds océaniques. La question est maintenant de savoir si – et où – l’hydrogène pourrait s’accumuler dans le sous-sol continental.
« Dans les systèmes ouverts et proches de la surface, beaucoup d’eau souterraine peut circuler, et les microorganismes qui consomment l’hydrogène peuvent coloniser ces systèmes, explique Sherwood Lollar. S’ils sont trop profonds ou étanches d’un point de vue hydrogéologique, l’eau ne peut pas y pénétrer. La situation idéale se situe quelque part entre ces deux extrêmes, de préférence avec une roche couverture pour retenir l’hydrogène. »
La découverte d’importants gisements d’hydrogène naturel pourrait transformer nos systèmes énergétiques. À court terme, il pourrait remplacer l’hydrogène issu des combustibles fossiles, utilisé dans des industries telles que la production chimique et le raffinage du pétrole. Il pourrait également être mélangé au gaz naturel pour réduire son empreinte carbone.
Sherwood Lollar travaille actuellement avec la Commission géologique du Canada pour faire connaître l’hydrogène naturel et ses nombreuses possibilités. Si sa viabilité est prouvée, l’hydrogène naturel pourrait devenir une source d’énergie propre qui changerait la donne. Pour le Canada, c’est l’occasion de donner un élan à la Stratégie relative à l’hydrogène et de devenir un fournisseur et un producteur mondial d’hydrogène à faible teneur en carbone. En outre, la chercheuse collabore avec la Royal Society of London à la direction d’un rapport spécialisé sur le potentiel mondial des ressources en hydrogène naturel, qui sera publié au printemps 2025.
Mais pour les membres du programme Terre 4D, l’hydrogène n’est qu’un début. Ils étudient également de nouveaux moyens de localiser des éléments essentiels, tels que le lithium pour les batteries, ainsi que l’hélium qui présente un vaste éventail d’utilisations industrielles et médicales.
Photo : Barbara Sherwood Lollar, professeure au département des sciences de la Terre de l’Université de Toronto et coresponsable du programme Terre 4D
Captage du carbone
Bien que les nouvelles sources d’énergie potentielles soient passionnantes, il est aussi possible d’améliorer les sources existantes.
Nous savons par exemple que la combustion de combustibles fossiles émet du dioxyde de carbone, à l’origine des changements climatiques. Mais que se passerait-il si nous pouvions augmenter la quantité d’énergie obtenue pour chaque tonne de carbone émise, voire empêcher complètement ces émissions?
Ces stratégies, connues sous le nom de captage, d’utilisation et de stockage du carbone (CCUS), figurent parmi les objectifs clés du programme Accélération de la décarbonisation.
« Nous savons très bien comment capter le CO2 à partir de sources ponctuelles », explique Ah-Hyung “Alissa” Park, doyenne Ronald et Valerie Sugar de l’École de génie Samueli de l’Université de la Californie à Los Angeles et membre du programme Accélération de la décarbonisation.
« Le problème actuel est lié au coût des technologies CCUS, à l’absence de politiques contraignantes de mise en œuvre et au stade très précoce du marché du carbone capté. »
Le groupe de recherche d’Alissa Park dans le laboratoire de l’Université Columbia, où elle a enseigné jusqu’en août 2023. Photo reproduite avec l’aimable autorisation d’Alissa Park.
L’une des utilisations possibles du carbone capté est de l’injecter sous terre, un processus utilisé depuis des dizaines d’années pour extraire le pétrole des puits.
Toutefois, grâce aux plus récentes recherches, de nouvelles possibilités émergent, comme l’utilisation d’énergies renouvelables pour convertir le CO2 capté en monoxyde de carbone, en méthane, en éthanol et en d’autres produits chimiques, matériaux et combustibles à base de carbone.
De leur côté, Park et son équipe explorent une synergie prometteuse entre le captage du carbone et l’extraction d’éléments tels que le lithium, le cobalt et les « terres rares », tous indispensables aux technologies de l’énergie propre.
« Notre technologie de minéralisation du carbone permet d’extraire efficacement les métaux critiques tout en convertissant le reste du minerai en carbonates solides par la fixation du CO2 capté », explique Park.
« Il est possible d’utiliser ces carbonates solides, entre autres comme matériaux de construction durables et agents de charge pour le papier et le plastique. »
Photo: Ah-Hyung “Alissa” Park, doyenne Ronald et Valerie Sugar de l’École de génie Samueli de l’Université de la Californie à Los Angeles et membre du programme Accélération de la décarbonisation
Bien que les gouvernements du monde entier aient tenté d’augmenter le coût monétaire de l’émission atmosphérique de carbone par le recours à des taxes ou à des systèmes de plafonnement et d’échange, il s’agit encore aujourd’hui de l’option la moins chère et la plus facile à mettre en œuvre. Des améliorations considérables des technologies CCUS pourraient renverser cette dynamique et transformer le carbone de déchet à ressource précieuse – une ressource qui alimente une économie circulaire du carbone.
Si ces avancées portent leurs fruits, elles pourraient transformer des industries entières, en rendant les technologies propres plus abordables et en accélérant la transition vers une économie mondiale carboneutre – et les membres du programme Accélération de la décarbonisation, comme Park, s’efforcent de faire de cet avenir une réalité.
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