Pour capter le CO₂ et rendre ainsi le secteur de la construction plus respectueux du climat, des spécialistes du monde entier travaillent sur de nouveaux procédés - par exemple pour les cheminées des usines de l'industrie du ciment, qui émet de grandes quantités de ce gaz à effet de serre. Mais que faire de ce CO₂ ? L'un des espoirs est le stockage souterrain à grande échelle dans des réservoirs de roches poreuses, qui peuvent stocker le gaz sur de longues périodes - sous forme liquéfiée.

D'autres possibilités sont offertes par l'économie circulaire, notamment dans le secteur de la construction, où les flux de masse sont importantes. Le CO₂ peut par exemple être lié aux matériaux de recyclage du béton à l'aide de ce que l'on appelle la carbonatation, afin de fabriquer de nouveaux bétons. D'autres procédés chimiques tels que la pyrolyse, un chauffage en l'absence quasi totale d'oxygène, du méthane en hydrogène - par exemple pour les processus industriels à haute température - permettent finalement de séparer le carbone solide, qui peut alors être utilisé comme matériau négatif en termes de CO₂ dans le secteur de la construction.

Particules de granulés de recyclage (Ø environ 1,5 mm) après la carbonatation : les principaux produits sont le CaCO₃ (vert clair) et le C-S-H (rose), qui réagit avec les phases de ciment nouvellement formées lors de la fabrication de béton recyclé. Image : Empa

Le béton est capable de fixer à nouveau, du moins partiellement, le gaz à effet de serre émis lors de la production du ciment. Ce processus s'appelle la "carbonatation" - une réaction lente qui dure des années et dont le rythme dépend de nombreux facteurs. Le projet "DemoUpCARMA", mené par l'ETH Zurich, a étudié comment ce processus pouvait être utilisé et surtout accéléré dans une usine de béton - dans une installation de l'entreprise Kästli Bau AG à Rubigen (BE) et avec des matériaux recyclés provenant de constructions en béton. Le dioxyde de carbone provenant d'une station d'épuration a été livré liquéfié et retransformé en gaz dans l'usine afin de "noyer" en continu les granulés recyclés grâce à un procédé mis au point par l'entreprise bernoise neustark AG. 

Andreas Leemann et Frank Winnefeld, du département de recherche "Concrete & Asphalt" de l'Empa, ont étudié l'efficacité avec laquelle le granulat absorbe le CO₂. Des échantillons ont montré des changements significatifs au microscope : Les plus petites particules présentaient à la surface des taches composées de parties sombres et claires, où la pâte de ciment d'origine s'était modifiée. Les analyses ont montré que les parties claires étaient du carbonate de calcium, tandis que les phases sombres étaient principalement constituées de silicate de calcium hydraté - en abrégé C-S-H -, le principal produit de l'hydratation du ciment qui confère sa résistance au béton. La carbonatation a retiré une partie du calcium de ce C-S-H : il est ainsi devenu plus pauvre en calcaire et a pu à son tour réagir avec les phases de ciment nouvellement formées dans le béton recyclé - avec pour conséquence une augmentation de sa résistance à la compression.

Des essais réalisés avec des types de béton fréquemment utilisés en Suisse ont confirmé ces conclusions. Ils montrent que le procédé peut rendre les bétons plus respectueux du climat de deux manières. D'une part, en absorbant du CO₂ pour "soulager" l'atmosphère : avec les nouveaux matériaux de construction, cela atteint jusqu'à 10 pour cent des émissions qui étaient libérées dans l'atmosphère lors de la fabrication du ciment pour le béton d'origine. Deuxièmement, avec la possibilité de réduire la teneur en ciment dans les bétons recyclés - de 5 à 7 pour cent - grâce à la résistance accrue. Au final, les experts de l'Empa estiment que le potentiel de réduction de CO₂ est d'environ 15 pour cent.

On ne sait pas encore dans quelle mesure ces résultats peuvent être mis en pratique - notamment en raison de la question de savoir dans quelle mesure le procédé peut être mis en œuvre dans les centrales à béton et avec quels moyens techniques et financiers.

Béton sans émissions : 20 % en volume de granulés de carbone (en noir) se traduisent par des émissions nettes nulles. Image : Empa

Une équipe du département "Concrete & Asphalt" de l'Empa développe un procédé permettant d'intégrer le charbon végétal dans le béton de manière pratique. Ce matériau est obtenu par un processus de carbonisation de matière biologique en l'absence d'air et se compose en très grande partie de carbone pur que les plantes ont "prélevé" dans l'atmosphère sous forme de CO₂ lors de leur croissance.

Il existe certes déjà sur le marché des produits en béton contenant du charbon végétal - mais le charbon est souvent incorporé au béton sans traitement, ce qui peut poser des problèmes. "Le charbon végétal est très poreux et absorbe donc non seulement beaucoup d'eau, mais aussi des adjuvants coûteux utilisés dans la fabrication du béton", explique Mateusz Wyrzykowski, chercheur à l'Empa.

C'est pourquoi les spécialistes proposent de le transformer en granulés. Pour les fabriquer, ils ont utilisé un mélangeur rotatif, y ont mélangé le charbon végétal avec de l'eau et un liant et ont ainsi obtenu des billes d'un diamètre compris entre 4 et 32 millimètres. Ils ont utilisé ces boulettes pour fabriquer du béton normal des classes de résistance C20/25 à C30/37, qui sont aujourd'hui les plus répandues dans le bâtiment et le génie civil.

Le bilan climatique : selon Mateusz Wyrzykowski, des émissions nettes nulles ont été atteintes avec une proportion de 20 pour cent en volume de billes de carbone dans le béton - la quantité de carbone stockée compense donc toutes les émissions générées par la production des billes ainsi que du béton. Dans le cas d'un béton léger d'une densité d'environ 1800 kg/m³, le potentiel est encore plus évident : une proportion de 45 pour cent en volume de billes entraîne même des émissions négatives de moins 290 kg de CO₂ /m³.

A long terme, le chef de département de l'Empa, Pietro Lura, ne voit pas seulement le charbon végétal comme source de carbone, mais attire l'attention sur un concept que plusieurs départements de l'Empa poursuivent : la production de gaz méthane synthétique à l'aide d'énergie solaire, d'eau et de CO₂ atmosphérique dans les régions ensoleillées du globe, suivie d'une pyrolyse du gaz. "On obtient ainsi de l'hydrogène que l'on peut utiliser dans l'industrie ou la mobilité, et en plus du carbone solide que nous pouvons - comme le charbon végétal - incorporer dans le béton", explique Pietro Lura.

Chercheur de l'Empa Mateusz Wyrzykowski du Concrete & Asphalt lab. Image : Empa

Le charbon végétal est également à l'ordre du jour du "Building Energy Materials and Components Lab" de l'Empa. Une équipe dirigée par Jannis Wernery développe un nouveau type de matériau isolant à partir de matières premières végétales ou de déchets, qui fixe durablement le CO₂ qu'il contient et fait ainsi office de puits de carbone. Une idée prometteuse, surtout si l'on considère l'importance des matériaux isolants dans la tâche consistant à rendre de nombreux bâtiments plus efficaces sur le plan énergétique et donc plus respectueux du climat.

La plus grande partie du carbone que les plantes ont fixé sous forme de CO₂ de l'atmosphère pendant leur croissance peut être fixée durablement par pyrolyse. Le "charbon végétal" ainsi obtenu serait alors fixé dans l'isolation pendant toute la durée de vie du bâtiment. Mais surtout, après la démolition, il pourrait être introduit dans les champs, où il rendrait le sol plus fertile tout en restant stable pendant des siècles - contrairement à d'autres matériaux de construction végétaux, comme l'isolation en cellulose, qui libèrent le dioxyde de carbone stocké lors de la décomposition.

Des détails doivent encore être réglés avant que le produit ne soit prêt à être utilisé. Il faut par exemple s'assurer que tous les composants des matériaux d'isolation conviennent à une utilisation ultérieure comme "engrais". De plus, un produit commercialisable devrait être compétitif en matière d'isolation thermique et garantir une protection suffisante contre les incendies. Selon le chercheur Jannis Wernery de l'Empa, des études préliminaires ont toutefois montré que ces objectifs étaient réalisables.

A long terme, l'isolation au charbon végétal pourrait améliorer sensiblement le bilan CO₂ de la Suisse. Selon les modèles de calcul des spécialistes, un remplacement partiel réaliste des matériaux isolants conventionnels par du charbon végétal permettrait d'économiser environ un demi-million de tonnes d'équivalents CO₂ par an - d'une part grâce à la réduction des émissions lors de la production, d'autre part grâce au stockage à long terme du CO₂. Cela correspondrait tout de même à un pour cent de l'ensemble des émissions de gaz à effet de serre en Suisse. Un projet avec du potentiel qui a également convaincu les institutions de soutien financier : la Fondation Minerva, le Conseil des EPF et l'Office fédéral de l'énergie (OFEN) soutiennent le projet, tout comme le fonds climatique des services industriels de Winterthur.