Enfouissement de la biomasse dans des décharges sèches

Stocker la biomasse dans des décharges sèches en la salant et en l’enfouissant peut conserver économiquement les gaz à effet de serre pendant des milliers d’années.

La réduction des émissions de gaz à effet de serre dans le monde est essentielle pour éviter une catastrophe climatique, mais les technologies actuelles d’élimination du carbone s’avèrent inefficaces et coûteuses. Une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley a trouvé une réponse évolutive qui utilise des technologies de base à faible coût pour éliminer le carbone de l’atmosphère et le stocker en toute sécurité pendant des milliers d’années.

Dans un rapport publié récemment dans Actes de l’Académie nationale des sciences, les chercheurs proposent une nouvelle approche unique pour capter le carbone de l’air, appelée agro-séquestration. Cette méthode consiste à cultiver des cultures de biomasse, puis à enterrer les plantes récoltées dans des décharges bio-sèches spécialement conçues. La biomasse enfouie est maintenue au sec grâce à l’utilisation de sel pour inhiber l’activité microbienne et empêcher la décomposition, permettant une séquestration constante de tout le carbone dans la biomasse.

Le résultat est négatif en carbone, ce qui fait de cette approche un changement potentiel, selon Eli Yablonowicz, auteur principal et professeur à la Graduate School du Département de génie électrique et d’informatique de l’UC Berkeley.

« Nous affirmons qu’une ingénierie appropriée peut résoudre 100% de la crise climatique, à un coût raisonnable », a déclaré Yablonowicz. « Si elle est mise en œuvre à l’échelle mondiale, cette méthode de séquestration du carbone négatif a le potentiel d’éliminer les émissions annuelles actuelles de dioxyde de carbone ainsi que les émissions des années précédentes de l’atmosphère. »

Contrairement aux efforts antérieurs vers la neutralité carbone, la séquestration agricole ne recherche pas la neutralité carbone nette, mais plutôt la négativité carbone nette. Selon le document, pour chaque tonne métrique (tonne) de biomasse sèche, il serait possible de séquestrer environ 2 tonnes de dioxyde de carbone.

Récolter des tournesols, une herbe à croissance rapide qui peut être utilisée comme culture bioénergétique ou récoltée, salée et enterrée pour séquestrer le carbone qu’elle prélève dans l’atmosphère. Crédit : Eric Sachs, avec l’aimable autorisation du Joint Genome Institute

Séquestration agricole : une méthode pour séquestrer de manière stable le carbone dans la biomasse enfouie

L’idée d’enterrer la biomasse pour la séquestration du carbone a gagné en popularité, les organisations émergentes enterrant tout, des plantes au bois. Mais assurer la stabilité de la biomasse enfouie est un défi. Bien que ces environnements de stockage soient sans oxygène, les micro-organismes anaérobies peuvent encore survivre et décomposer la biomasse en dioxyde de carbone et en méthane, rendant ces méthodes de séquestration neutres en carbone, au mieux.

Mais il y a une chose dont toute vie a besoin – de l’humidité au lieu de l’oxygène. Ceci est mesuré par « l’activité de l’eau », qui est une quantité similaire à l’humidité relative. Si l’activité interne de l’eau tombe en dessous de 60 %, la vie s’arrête, un concept sous-jacent à la nouvelle solution d’isolement de culture des chercheurs de l’UC Berkeley.

« Il y a des questions importantes concernant l’isolement à long terme de bon nombre de ces technologies qui ont récemment été généralisées à la nature et à l’agriculture », a déclaré Harry Dickmann, co-auteur de l’étude et chercheur au Département de génie électrique et d’informatique. « L’approche d’agro-séquestration que nous proposons peut séquestrer le carbone de manière stable dans la biomasse d’eau salée séchée pendant des milliers d’années, à moindre coût et avec une efficacité carbone plus élevée que les autres technologies de capture de l’air. »

Hugh Hilferty, co-fondateur et président de Producers Accountability for Carbon Emissions (PACE), une organisation à but non lucratif engagée à atteindre zéro émission mondiale nette d’ici 2050, voit de grandes promesses dans cette solution. « La séquestration des produits agricoles a le potentiel de transformer des solutions temporaires basées sur la nature en stockage permanent de dioxyde de carbone », a déclaré Hilferty, qui n’a pas participé à l’étude. « En faisant évoluer leur approche, Deckman et Yablonovitch ont créé une nouvelle option inestimable pour lutter contre le changement climatique. »

Atteindre le niveau de déshydratation approprié pour prévenir la décomposition

Les cellules vivantes doivent être capables de transporter des nutriments solubles dans l’eau et des déchets solubles dans l’eau à travers leurs parois cellulaires pour survivre. Selon Dickmann, il a été démontré que la réduction de l’activité de l’eau à moins de 60 % arrête ces processus métaboliques.

Pour atteindre le niveau de sécheresse nécessaire, Yablonowicz et Dickmann se sont inspirés d’une technique de conservation des aliments de longue date datant de l’époque babylonienne : le sel.

« La déshydratation, parfois aidée par le sel, réduit efficacement l’humidité relative interne de la biomasse isolée », a déclaré Yablonowicz. « Et cela a été prouvé pour empêcher la décomposition depuis des milliers d’années. »

Les chercheurs citent un palmier nommé Mathusalem comme preuve que la biomasse, si elle est maintenue suffisamment sèche, peut être préservée au-delà du prochain millénaire.

Dans les années 1960, l’archéologue israélien Yigal Yadin a découvert des graines de palmier parmi les ruines antiques au-dessus de Massada, une zone surplombant la mer Morte – l’une des régions les plus arides du monde. Les graines sont restées dans le tiroir pendant plus de 40 ans, jusqu’à ce que Sarah Salon, une médecin qui fait des recherches sur les médecines naturelles, les demande en 2005. Après avoir obtenu les graines datées au carbone, elle a appris qu’elles avaient 2 000 ans et a ensuite demandé à la jardinière Eileen Soloway pour les planter. Ils ont germé, et Mathusalem, l’un de ces palmiers, est toujours en plein essor aujourd’hui.

« C’est la preuve que si vous gardez la biomasse au sec, elle durera des centaines, voire des milliers d’années », a déclaré Yablonowicz. « En d’autres termes, c’est une expérience naturelle qui prouve qu’on peut conserver la biomasse pendant 2 000 ans. »

Approche rentable et évolutive

En plus d’assurer une stabilité à long terme, l’approche d’isolement agricole de Yablonović et Diekmann est très rentable. L’agriculture et les biodécharges coûtent ensemble un total de 60 $ par tonne de CO2 captée et capturée. (En comparaison, certaines stratégies de capture directe de l’air et du dioxyde de carbone coûtent 600 $ la tonne.)

« Soixante dollars par tonne de dioxyde de carbone capturé et capté correspond à un coût supplémentaire de 0,53 $ par gallon d’essence », a déclaré Yablonowicz. « A ce prix, compenser les émissions mondiales de CO2 entraînerait une rechute de l’économie mondiale de 2,4 %. »

Les chercheurs ont compilé une liste de plus de 50 plantes à haut rendement qui peuvent être cultivées dans une variété de climats à travers le monde et avec des productions de biomasse sèche allant de 4 à plus de 45 tonnes sèches par hectare. Ils ont tous été sélectionnés pour leurs capacités d’absorption du carbone.

Cette solution pourrait également être étendue sans empiéter ni concurrencer les terres agricoles utilisées pour produire des aliments. Beaucoup de ces cultures de biomasse peuvent être cultivées sur des pâturages marginaux et des terres forestières, voire sur des terres agricoles qui restent en jachère.

« Éliminer tout le carbone qui est produit va prendre beaucoup de terres agricoles, mais c’est une zone de terres agricoles qui est déjà disponible », a déclaré Yablonowicz. « Ce sera une grande aubaine pour les agriculteurs, car il y a actuellement des terres agricoles sous-utilisées. »

Les agriculteurs qui récoltent ces cultures de biomasse sèchent les plantes, puis les enfouissent dans une décharge sèche Bioland conçue dans les zones agricoles, à des dizaines de mètres sous terre et à l’abri des activités humaines et des catastrophes naturelles.

Les chercheurs ont basé leur conception des structures d’enfouissement à sec sur les meilleures pratiques actuelles pour les décharges municipales, mais ont ajouté des améliorations pour assurer la sécheresse, comme deux couches de polyéthylène de 2 millimètres d’épaisseur qui se chevauchent enveloppant la biomasse, une pratique déjà utilisée dans les décharges modernes.

La zone d’enfouissement ne couvrirait qu’une petite partie – 0,0001% – de la surface agricole. En d’autres termes, 10 000 hectares de production de biomasse pourraient être enfouis dans une biodécharge de 1 hectare. De plus, la surface supérieure de la décharge peut être remise en production agricole par la suite.

Adoption accélérée

Le délai d’adoption de la méthode de capture et de séquestration du carbone pourrait être court, selon Dickman. « L’isolement des produits agricoles est techniquement prêt, et la construction de décharges bioland peut commencer après une saison de croissance », a-t-il déclaré.

L’analyse de Yablonovitch et Deckman montre que les agriculteurs peuvent passer très rapidement à l’agriculture de biomasse. Ils estiment qu’il faudra environ un an pour convertir les terres agricoles existantes à l’agriculture de la biomasse, mais plus longtemps pour les terres vierges qui manquent d’infrastructures pour soutenir l’agriculture. Les cultures de biomasse seront prêtes à être récoltées et isolées pendant la saison de croissance.

En utilisant cette approche, les chercheurs ont calculé que la séquestration de près de la moitié des émissions mondiales de gaz à effet de serre – environ 20 gigatonnes de dioxyde de carbone par an – nécessiterait une production agricole sur une superficie égale à un cinquième des terres agricoles mondiales ou à un quinzième des terres. superficie de toutes les terres agricoles, pâturages et forêts. Selon leur rapport, cette superficie terrestre est égale ou inférieure à la superficie totale étudiée par de nombreux modèles du GIEC pour limiter le réchauffement climatique pour la production de biomasse.

« Notre approche d’isolement des produits agricoles offre plusieurs avantages en termes de coût, d’évolutivité et de stabilité à long terme », a déclaré Yablonowicz. En outre, il utilise des technologies existantes dont les coûts sont connus pour fournir une voie viable pour éliminer le dioxyde de carbone de l’atmosphère et résoudre le problème du changement climatique. Cependant, la société doit poursuivre ses efforts de décarbonisation ; développement et installation de technologies d’énergie solaire et éolienne; et révolutionner le stockage de l’énergie.

Référence : « Scalable, Economical, and Stable Constant Carbon Sequestration » par Eli Yablonowicz et Harry W. Dickmann, 11 avril 2023, disponible ici. Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2217695120