vignette| Le stockage océanique du dioxyde de carbone () est une méthode de géoingénierie d'élimination du dioxyde de carbone atmosphérique. Le concept de stockage du dioxyde de carbone dans l'océan a été proposé pour la première fois par le physicien italien Cesare Marchetti dans son article de 1976, « On Geoengineering and the carbon dioxide problem » [Sur la géoingénierie et le problème du dioxyde de carbone]. Depuis lors, le concept de séquestration du dioxyde de carbone atmosphérique dans les océans du monde a été étudié par des scientifiques, des ingénieurs et des militants écologistes. Actuellement, de carbone (GtC) résident dans les océans alors que seulement 750 GtC se trouvent dans l'atmosphère.
Sur les de dioxyde de carbone d'origine anthropique au cours des 200 dernières années, environ 38 % sont déjà dans les océans. Actuellement, de sont émises par an et les océans en absorbent actuellement . Les océans se trouvent être un énorme puits de carbone ayant la capacité d'en contenir des milliers de gigatonnes supplémentaires. Selon certains scientifiques, la séquestration océanique a le potentiel de réduire les concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone.
Chimie océanique vignette|Les principaux composants après la dissolution du dioxyde de carbone dans l'océan Quand le dioxyde de carbone atmosphérique se dissout dans l'océan, une partie du dioxyde de carbone réagit avec l'eau de mer pour former de l'acide carbonique ().. Celui-ci continue réagir avec les molécules d'eau, en résulte du carbonate qui augmente la concentration d'ions hydrogène dans l'océan et, par conséquent, réduit le pH de l'océan. Par conséquent, l'augmentation de la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère diminue le pH océanique et participe à l'acidification de l'océan.. Par ailleurs, le carbonate de calcium produit un effet tampon lors de fortes baisses de pH. Lorsque le pH diminue, la dissolution du carbonate de calcium augmente. Le GIEC prône une variation du pH de l'océan de 0,1 comme acceptable, comparable aux fluctuations naturelles du pH sans effets environnementaux notables. Avec un changement de pH de 0,1, le GIEC estime que atmosphériques pourraient être stockés dans l'océan et diminuer d'autant les effets environnementaux négatifs. Si le dioxyde de carbone restait dans l'atmosphère, le changement résultant du pH de l'océan serait également similaire, car le mélange océanique finirait par en absorber l'excès.
Injection et stockage de dioxyde de carbone dilué L'injection de dilué se fait à des profondeurs où ce composé peut être dispersé par les courants marins et le mélange océanique. Lors de l'injection, l'interaction des eaux et les mélanges en fonction de la densité, réduisent la concentration de dioxyde de carbone. L'injection par bateau consiste en un déversement de faibles concentrations de dans les eaux libres tout en en augmentant la zone de dispersion. La dispersion par bateau peut également se faire au moyen d'un tuyau transportant un mélange dilué dans la colonne d'eau. Le composé est généralement injecté à de profondeur pour réduire l'échappement par des bulles. La dispersion augmente dans la colonne d'eau, tout au long de la remontée des bulles. Les grandes tailles des aires de dispersion et les faibles concentrations du composé prémunissent de tout changement significatif du pH local et les effets qui en résultent sur les écosystèmes marins. Wickett ont utilisé des mesures des fluctuations naturelles du pH du dioxyde de carbone atmosphérique pour suggérer qu'une injection de dioxyde de carbone dilué à par an aurait un effet négligeable sur le pH de l'océan. L'injection océanique diluée nécessite peu d'infrastructures par rapport aux autres formes d'injection océanique. Le programme de R&D sur les gaz à effet de serre de l'Agence internationale de l'énergie estime le coût l'injection d'une tonne de dioxyde de carbone dilué à , en tenant compte des coûts de capture, de transport et de stockage du carbone avant sa dispersion par bateau.
Libération de dioxyde de carbone solide en profondeur Les carboglaces, glaces sèches ou hydrates solides de peuvent être des vecteurs du stockage du dioxyde de carbone dans l'océan. Leur densité à l'état solide est environ supérieure à celle de l'eau de mer ce qui leur permet de couler au fond de l'océan. Leur vitesse de dissolution à la surface est d'environ , ce qui fait que seule une petite quantité de dioxyde de carbone peut être complètement dissoute avant d'atteindre le fond marin. En plus de servir de matière carbonée à injecter en profondeur, l'hydrate de est déjà, en tant que tel, un moyen de stockage du carbone. Sa formation a lieu lorsque la concentration dissoute de dioxyde de carbone liquide est d'environ 30 % et que la profondeur est de sous le niveau de la mer. Les hydrates se forment sous forme de couche externe autour des gouttelettes de dioxyde de carbone liquide ou sous forme de masse solide. La composition moléculaire est composée de dioxyde de carbone et d'eau, formulé •nH2O où n ≈ 5,75. La densité résultante est plus dense que l'eau de mer d'environ 10 %. Par rapport au dioxyde de carbone liquide, la forme hydratée se dissout beaucoup plus lentement dans l'eau de mer, à environ aussi. De plus, l'hydrate stagne sur le fond marin, forme une calotte d'hydrate, et force le dioxyde de carbone liquide à ne se déplacer que latéralement. La stabilité moléculaire globale a pour paramètre la température et de la pression de l'environnement, et les glaces sèches ne se dissocient que lorsqu'elles rentrent en contact direct avec de la chaleur et de l'eau supplémentaires à des concentrations inférieures à leur concentration d'équilibre.. Cependant, en raison de sa structure cristalline, l'hydrate pur ne circule pas dans les tuyaux. Partant du constat qu'une efficacité de 100 % est extrêmement difficile à atteindre, les expériences en laboratoire et sur le terrain suggèrent celle de la réaction de descente est d'environ 15 à 25 %. N'importe quel type d'instabilité des hydrates est susceptible de provoquer une dissolution et une dispersion lors du processus de descente ou d'injection.
Minéralisation et sédiments marins profonds La minéralisation peut également se produire sous la mer de façon semblable aux processus se déroulant dans les roches terrestres. Le taux de dissolution du atmosphèrique vers les régions océaniques dépend de la période de circulation de l'océan et de la capacité tampon de la subduction des eaux de surface. Des recherches ont démontré que le stockage marin de dioxyde de carbone à plusieurs kilomètres de profondeur pourrait être viable pendant une période allant jusqu'à 500 ans selon les conditions et le site d'injection. Plusieurs études ont montré que bien que le dioxyde de carbone se stocke dans l'océan, il peut retourner dans l'atmosphère au fil du temps. Cependant, la longueur du processus est probablement de l'ordre de quelques siècles. La neutralisation du (carbonate de calcium), ou l'équilibrage de sa concentration sur le fond marin, sur terre et dans l'océan, peut être mesurée sur une échelle de temps de plusieurs milliers d'années. Plus précisément, le temps prévu est de 1700 ans pour l'océan et d'environ 5000 à 6000 ans pour la terre. De plus, le temps de dissolution du peut être amélioré en injectant à proximité ou en aval du site de stockage.
Outre la minéralisation du carbone, l'injection profonde de sédiments en mer est une piste prometteuse pour le stockage océanique du dioxyde de carbone. Elle consiste à l'injecter à au moins de profondeur, directement dans les sédiments océaniques pour générer des hydrates de . Deux couches océaniques sont choisies pour l'exploration du procédé : la zone de flottabilité négative, ZFN (), où le dioxyde de carbone liquide est plus dense que l'eau environnante ou a une flottabilité neutre, et la zone de formation d'hydrates, ZFH (), qui a généralement des températures basses et hautes pressions. Plusieurs modèles de recherche ont montré que la profondeur d'injection optimale pour un stockage optimal nécessite la prise en compte de la perméabilité intrinsèque et des modifications de la perméabilité au dioxyde de carbone liquide. La formation d'hydrates diminue la perméabilité au liquide et l'injection en dessous plutôt que dans la zone de formation d'hydrates, est préférée. Si la zone de flottabilité négative constitue une plus grande colonne d'eau que la ZFH, l'injection doit se faire directement dedans, sous la ZFH. Dans ce cas, le liquide coulera dans la ZFN et sera stocké sous le plafond de flottabilité et d'hydrate. Une fuite de dioxyde de carbone peut se produire en cas de dissolution dans le fluide interstitiel ou par diffusion moléculaire. Cependant, ce processus pourrait prendre des milliers d'années.
Panaches de dioxyde de carbone Les chercheurs ont pu montrer en laboratoire et dans de petites expériences in situ que le dioxyde de carbone peut être injecté dans les océans sous forme de panaches ascendants ou descendants. Le panache coulera s'il est plus dense que l'eau de mer. Cela doit se produire si le panache, un mélange de dioxyde de carbone et d'eau de mer, est injecté à des profondeurs de . Au fur et à mesure que le panache se déplace sur l'axe verticale, il se dissout partiellement par transfert de masse convectif avec l'eau avoisinante. La dissolution est stimulée par les courants perpendiculaires à la colonne d'eau du panache en raison de l'accroissement du transfert de masse par convection. Un minimum de courants d'eau horizontaux est nécessaire pour que le panache puisse plonger au fond de l'océan, ce qui assure une séquestration à plus long terme. Les autres techniques de stockage océaniques mentionnées précédemment profitent de ces courants pour la dilution des panaches ascendants : ils accélèrent la dispersion pour rendre le changement de concentration de dans l'océan suffisamment bas pour ne pas affecter de manière significative la biosphère marine.
La méthode d'injection proposée emploie des gouttelettes de dioxyde de carbone supercritique mélangées à de l'eau de mer. Les panaches peuvent être conçus pour se dissoudre à différentes vitesses en fonction de la taille, de la concentration et de la vitesse d'injection du mélange. Pour les panaches ascendants dont le but est la dissolution pour séquestrer le , une gouttelette plus petite, injectée à plus forte concentration, est préférable pour une dissolution plus rapide. Les panaches qui coulent finissent par former des lacs de dioxyde de carbone sur le fond océanique permettant une séquestration à plus long terme.
Lacs de dioxyde de carbone Des lacs de dioxyde de carbone se formeront sur le plancher océanique dans les dépressions ou des tranchées du fond marin. Ces lacs séquestrent le dioxyde de carbone en l'isolant. L'océan profond a un taux de mélange très lent avec les couches de la surface. De plus, à la surface du lac de , se formera une couche de cristaux d'hydrates de confinement qui ralentira les échanges avec la couche du dessus. La convection à la surface du lac due aux tempêtes du fond de l'océan ou à d'autres courants marins accélèrera la dissolution. Si aucun écoulement massif ne perturbe les lacs de séquestration, la durée de stockage du dioxyde de carbone prend environ pour un lac de de profondeur. Ce chiffre peut être réduit à en présence de courants dus aux tempêtes de fond océanique.
Les sites d'injection seront choisis en fonction de la profondeur du plancher océanique, de l'activité sismique et volcanique et de la présence de gisements de susceptibles d'augmenter le taux de minéralisation du carbone. Certains sites à l'étude pour le stockage à des profondeurs supérieures à et comprennent la fosse indonésienne de Sunda, la fosse japonaise des Ryukyu et la fosse de Porto Rico.
Impacts environnementaux de la séquestration des océans en eaux profondes