Comment les chercheurs japonais traquent le carbone dans le béton

Alors que la recherche de solutions pour réduire les émissions de dioxyde de carbone est devenue une priorité, une équipe de chercheurs japonais a mis au point une méthode pour déterminer si le carbone présent dans le béton provient de matières premières ou de l’air, offrant ainsi une nouvelle perspective pour l’industrie du ciment et les pays cherchant à compenser leurs émissions de carbone.

Malgré les accords internationaux et les appels à l’action, les émissions de gaz à effet de serre provenant des combustibles fossiles ont continué d’augmenter. Pour éviter que la planète ne dépasse le seuil critique d’une hausse de température de 2°C d’ici 2100 (par rapport aux niveaux préindustriels), il serait nécessaire d’en faire plus.

Selon le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) des Nations Unies, la réduction et la prévention des émissions ne suffisent pas.

La capture directe de l’air

La capture directe de l’air (DAC) extrait le dioxyde de carbone de l’air à l’aide de procédés chimiques ou physiques. L’augmentation de l’utilisation des technologies DAC fait partie du scénario d’émissions nettes zéro de l’Agence internationale de l’énergie (AIE), une gamme de méthodes proposées pour permettre au secteur mondial de l’énergie de retirer autant de dioxyde de carbone (CO2) qu’il en émet d’ici 2050.

D’après l’AIE, l’industrie était responsable d’un quart des émissions de CO2 du système énergétique mondial en 2022. Le ciment est le deuxième produit industriel le plus utilisé (après l’eau), et il a un impact environnemental élevé.

Le rôle du ciment dans la capture du carbone

« Jusqu’à 800 kilogrammes de CO2 sont émis par tonne de ciment lors de sa production, donc la réduction des émissions est devenue un enjeu majeur dans l’industrie du béton », a expliqué le professeur Ippei Maruyama du Département d’architecture de l’Université de Tokyo. « Le béton est connu depuis longtemps pour réagir avec le CO2 dans l’air pour former du carbonate de calcium, un phénomène indésirable car il induit la corrosion des barres d’acier à l’intérieur des structures en béton. Cependant, l’industrie du béton envisage maintenant des moyens d’utiliser efficacement cette réaction. »

Bien que problématique pour la construction, la réaction qui provoque la formation de carbonate de calcium fixe ou piège le CO2, éliminant ainsi le gaz de l’atmosphère. Le carbonate de calcium se trouve également naturellement dans les roches, comme le calcaire, qui sont utilisées dans la fabrication du béton. « Cela rend difficile de déterminer si le CO2 identifié dans le béton a été fraîchement extrait de l’air ou provient des roches », a déclaré Maruyama. « Nous avons donc développé une méthode pour vérifier cela, qui pourrait être utilisée pour déterminer si le béton produit peut être certifié comme compensant les émissions de CO2.

Bien que problématique pour la construction, la réaction qui provoque la formation de carbonate de calcium fixe ou piège le CO2, éliminant ainsi le gaz de l’atmosphère. Le carbonate de calcium se trouve également naturellement dans les roches, comme le calcaire, qui sont utilisées dans la fabrication du béton.

« Cela rend difficile de déterminer si le CO2 identifié dans le béton a été fraîchement extrait de l’air ou provient des roches », a ajouté Ippei Maruyama. « Nous avons donc développé une méthode pour vérifier cela, qui pourrait être utilisée pour déterminer si le béton produit peut être certifié comme compensant les émissions de CO2. »

La méthode de recherche

Les chercheurs ont réalisé l’étude en fabriquant des échantillons de pâte de ciment hydratée comme réplique du béton. Après avoir suffisamment hydraté, ils ont broyé l’échantillon de pâte en poudre, gardant la poudre non exposée contenue et laissant la poudre exposée à l’air.

Après sept et 28 jours, ils ont dissous la poudre dans de l’acide pour recueillir le gaz et, à l’aide d’une technique appelée spectrométrie de masse par accélérateur, ont analysé le rapport de plusieurs isotopes de carbone (atomes ayant les mêmes propriétés chimiques mais des propriétés physiques différentes), à savoir le carbone-12, le carbone-13 et le carbone-14.

Cela a permis à l’équipe d’évaluer d’où venait le carbone, et s’il était déjà présent dans les matières premières, car les rapports de carbone reflétaient la proportion connue d’isotopes de carbone dans l’air au moment où le gaz était scellé.

Les perspectives futures

Les chercheurs souhaitent maintenant appliquer cette méthode en laboratoire à des lieux réels et tester comment les quantités variables de matières premières utilisées dans la production locale de béton peuvent affecter les résultats.

« La fixation du dioxyde de carbone de l’air est certifiée comme un acte de compensation des émissions de CO2, donc elle a une valeur économique en termes de commerce des émissions. Extraire du carbonate de calcium pour l’utiliser dans le béton ne l’est pas, donc la distinction est très importante et cette recherche peut aider à soutenir un marché sain », a conclu le Professeur Maruyama. « Nous pensons que la neutralité carbone et une économie circulaire dans l’industrie de la construction sont essentielles pour notre avenir, en particulier au Japon où cette industrie a un rôle à jouer dans la continuité des affaires et la récupération après les catastrophes naturelles. »

En synthèse

La capture du carbone est une solution prometteuse pour réduire l’impact des émissions de dioxyde de carbone sur notre climat. Les chercheurs ont développé une méthode pour confirmer si le carbone dans le béton provient des matières premières ou du carbone dans l’air qui a été piégé lorsqu’il réagit avec le béton pour former le minéral carbonate de calcium. Cette méthode pourrait être utile pour le secteur industriel et les pays cherchant à compenser leurs émissions de carbone.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la capture directe de l’air (DAC) ?

La capture directe de l’air (DAC) est un processus qui extrait le dioxyde de carbone de l’air à l’aide de procédés chimiques ou physiques. C’est une des méthodes proposées par l’Agence internationale de l’énergie (AIE) pour atteindre l’objectif d’émissions nettes zéro d’ici 2050.

Quel est le rôle du ciment dans la capture du carbone ?

Le béton, dont la production est fortement liée à l’industrie du ciment, réagit avec le CO2 dans l’air pour former du carbonate de calcium, un phénomène qui fixe ou piège le CO2, éliminant ainsi le gaz de l’atmosphère.

Quelle est la méthode développée par les chercheurs japonais ?

Les chercheurs ont développé une méthode pour déterminer si le carbone présent dans le béton provient de matières premières ou de l’air. Cette méthode pourrait être utilisée pour déterminer si le béton produit peut être certifié comme compensant les émissions de CO2.

Comment cette méthode a-t-elle été testée ?

Les chercheurs ont réalisé l’étude en fabriquant des échantillons de pâte de ciment hydratée comme réplique du béton. Ils ont ensuite analysé le rapport de plusieurs isotopes de carbone pour évaluer d’où venait le carbone.

Quelles sont les perspectives futures de cette recherche ?

Les chercheurs souhaitent maintenant appliquer cette méthode en laboratoire à des lieux réels et tester comment les quantités variables de matières premières utilisées dans la production locale de béton peuvent affecter les résultats. Cette recherche pourrait aider à soutenir un marché sain pour le commerce des émissions et à promouvoir la neutralité carbone et une économie circulaire dans l’industrie de la construction.

Principaux enseignements

Références

Légende illustration principale : Cimenterie. La nouvelle méthode se limite à tester le piégeage du carbone dans le béton moderne. Les calculs reposent sur l’hypothèse que la concentration de carbone 14 (14C) dans l’air est constante pendant que la réaction se produit avec le béton ; cependant, des événements historiques tels que les essais d’armes nucléaires dans les années 1950 ont considérablement affecté la concentration atmosphérique de carbone 14.

Zhenzhen Wang, Abudushalamu Aili, Masayo Minami and Ippei Maruyama, « Verification method of Direct Air Capture by Cementitious Material Using Carbon Isotopes, » Journal of Advanced Concrete Technology Vol. 21, 934-941: November 22, 2023, doi:10.3151/jact.21.934. Lien : Publication