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L’effet de serre est un phénomène indispensable à la vie sur Terre, toutefois l’augmentation de la teneur, dans l’atmosphère, des gaz à effet de serre, principalement de dioxyde de carbone, se traduit par une élévation moyenne des températures à la surface du globe avec des conséquences climatiques importantes.

Données

Principe

La moitié environ de l’énergie solaire reçue (340 W/m2) est absorbée par la terre. Le sol de la terre (chauffé par le soleil) réémet un rayonnement dans l’infrarouge (de 4 à 30 µm de longueur d’onde). Le CO2 (comme d’autres gaz : vapeur d’eau, CH4…) possède une bande d’absorption dans ce domaine de longueur d’onde (de 15 à 18 µm pour CO2). La présence de CO2 (et des autres gaz) permet le chauffage, par le sol, des basses couches de l’atmosphère (la troposphère : en dessous de 10 km en moyenne). La température moyenne au sol est de +15°C alors qu’elle ne serait que de -18°C, sans les gaz à effet de serre. L’effet de serre est donc un phénomène indispensable à la vie sur Terre, toutefois l’augmentation de la teneur, dans l’atmosphère, des gaz à effet de serre, se traduit par une élévation moyenne des températures à la surface du globe avec des conséquences climatiques importantes.

Émissions des gaz à effet de serre

Afin de prendre en compte l’effet sur le réchauffement climatique de l’ensemble des gaz à effet de serre, un indicateur, le potentiel de réchauffement global (PRG) est utilisé. Six gaz inclus dans le protocole de Kyoto sont pris en compte : CO2 (dioxyde de carbone), CH4 (méthane), N2O (protoxyde d’azote), HFC (hydrofluorocarbures), PFC (perfluorocarbures, par exemple CF4 et C2F6), SF6 (hexafluorure de soufre) et depuis 2013, NF3 (trifluorure d’azote). La vapeur d’eau, non prise en compte, a un effet 2 fois plus important que le dioxyde de carbone mais sa teneur dans l’atmosphère, comprise entre 0,4 et 4 %, dépend peu des activités humaines.

Cet indicateur est exprimé en équivalent CO2, le coefficient 1 étant attribué à celui-ci.

CO2 1 PFC 9 069 en moyenne en 2013
CH4 28 SF6 23 500
N2O 265 NF3 16 100
HFC 2 093 en moyenne en 2013

Source : Citepa, à l’horizon de 100 ans

Contribution des différents gaz à effet de serre

En France, en 2019, en équivalent CO2, les émissions ont été de 436 millions de t, elles étaient de 553 millions de t, en 1991. Elles contribuent au potentiel de réchauffement global de la façon suivante :

CO2 74,8 % PFC 0,1 %
CH4 12,8 % SF6 0,1 %
N2O 8,9 % NF3 0,002 %
HFC 3,2 %

Source : Citepa, inventaire CCNUCC, périmètre Kyoto, hors UTCATF

  • Les émissions de CO2 ont été, en 2019, de 327 millions de t (le maximum a été de 485 millions de t en 1973). Sa teneur dans l’atmosphère est, en avril 2021, de 419 ppmv (elle était de 280 ppmv en 1750). Il provient, en 2019, à 40 % du transport routier, 24 % des combustions dans les industries manufacturières et la construction, 20 % des combustions dans le résidentiel, tertiaire et agriculture, 13 % des combustions dans la transformation d’énergie, 3 % de l’agriculture.
  • Les émissions de CH4 ont été, en 2019, de 2,239 millions de t (le maximum a été de 2,856 millions de t en 1995) soit 56 millions de t en équivalent CO2. Sa teneur dans l’atmosphère est, en 2019, de 1,877 ppmv (elle était de 0,722 ppmv en 1750). Il provient, en 2019, à 67 % des élevages, 25 % du stockage des déchets non dangereux, 6 % des combustions dans le résidentiel, tertiaire, 2 % de la transformation de l’énergie.
    • Une vache laitière produit par an, 3 t d’équivalent CO2 du fait de la fermentation entérique.
    • Un porc produit par an 0,5 t d’équivalent CO2 du fait de ses déjections.
  • Les émissions de N2O ont été de 130 000 t (le maximum a été de 238 000 t en 1997) soit 39 millions de t en équivalent CO2. Sa teneur dans l’atmosphère est, en 2017, de 0,3299 ppmv (elle était de 0,270 ppmv en 1750). Il provient, en 2019, à 89 % de l’agriculture, 4 % de l’industrie manufacturière, 3 % des transports, 2 % des combustions dans le résidentiel, tertiaire, 1 % de la production d’énergie, 1 % des déchets.
  • Les émissions de HFC ont été de 6 963 t soit 14,2 millions de t d’équivalent CO2 (en augmentation constante, le minimum avait été de 1,858 million de t d’équivalent CO2, en 1995) provenant à 55 % du résidentiel et du tertiaire, 25 % des industries manufacturières, 20 % du transport. Le HFC-134a remplace depuis 1993, les CFC interdits par le Protocole de Montréal. Ils remplacent depuis 2003 les HCFC interdits dans l’expansion des mousses de polystyrène extrudé et de polyuréthane.
  • Les émissions de PFC ont été de 69 t soit 600 000 t d’équivalent CO2 (le maximum a été de 5,202 millions de t éq CO2 en 1990), provenant à 97 % de l’industrie manufacturière dont 15 % pour les procédés de l’industrie de l’électronique, 16 % pour les procédés de l’industrie métallurgique (métallurgie de l’aluminium, fabrication de l’acide trifluoroacétique, fabrication de semi-conducteurs) et à 3 % du résidentiel et tertiaire.
  • Les émissions de SF6 ont été de 17 t soit 400 000 t d’équivalent CO2 (le maximum a été de 2,752 millions de t éq CO2 en 1998), provenant à 48 % de l’industrie manufacturière, 45 % de la production d’énergie, 7 % du résidentiel et tertiaire.
  • Les émissions de NF3 ont été de 0,6 t soit 10 000 t d’équivalent CO2 (le maximum a été de 46 000 t éq CO2 en 2008), provenant totalement de l’industrie manufacturière et plus précisément des procédés de l’industrie des semi-conducteurs.

Dans l’Union européenne à 27, en 2019, les émissions, en équivalent CO2, hors UTCF, ont été de 3 494 millions de t avec la répartition suivante :

en %
CO2 82,1 N2O 5,7
CH4 10,0 Gaz fluorés 2,2

Source : Agence Européenne pour l’environnement

Par pays, en 2019, sur un total de 3 494 millions de t équivalent CO2 :

en millions de t équivalent CO2
en millions de t en millions de t
Allemagne 823 Pays Bas 197
France 424 République tchèque 138
Italie 389 Belgique 121
Pologne 379 Grèce 86
Espagne 296 Roumanie 84

Source : Agence Européenne pour l’environnement

Dans quelques autres pays :

  • Aux États-Unis, en 2019, les émissions ont été de 6 558 millions de t équivalent CO2 dont à 80 % par CO2, 10 % CH4, 7 % N2O, 3 % pour les gaz fluorés.
  • Au Canada, en 2020, les émissions ont été de 536 millions de t équivalent CO2.
  • En Australie, en 2020, les émissions ont été de 392 millions de t équivalent CO2.

Dans le monde, en 2020, les émissions ont été de 34 807 millions de t équivalent CO2, avec les valeurs suivantes pour les principaux pays :

en millions de t équivalent CO2
Chine 10 668 Iran 745
États-Unis 4 713 Allemagne 644
Inde 2 442 Arabie Saoudite 626
Russie 1 577 Corée du Sud 598
Japon 1 031 Indonésie 590

Source : Global Carbon Atlas

Origine des gaz à effet de serre

L’agriculture et la sylviculture produisent particulièrement du N2O et du CH4, le transport routier surtout du CO2.

En France métropolitaine, sur un total de 396 millions de t d’équivalent CO2, en 2020.

Transport 29 % Agriculture, sylviculture 21 %
Industrie manufacturière 19 % Transformation de l’énergie 10 %
Résidentiel, tertiaire 19 % Traitement centralisé des déchets 4 %

Source : Citepa

Dans l’Union européenne, sur un total de 3 610 millions de t d’équivalent CO2, en 2019.

Énergie 76,6 % Industrie 9,4 %
Agriculture 10,7 % Déchets 3,2 %

Source : Chiffres clés du climat, Datalab

Aux États-Unis, sur un total de 5 216 millions de t d’équivalent CO2, en 2019.

Transport 29 % Commercial et résidentiel 13 %
Production d’électricité 25 % Agriculture 10 %
Industrie 23 %

Source : EPA

Dans le monde, en 2010, sur un total de 49 milliards de t d’équivalent CO2 (52,4 milliards de t d’équivalent CO2, en 2019).

Énergie : production et transformation 29 % Résidentiel et tertiaire 8 %
Industrie 18 % Énergie : torchage et émissions fugitives 6 %
Transports 13 % Déchets 4 %
Agriculture 11 % Feux de forêts 3 %
Sylviculture 8 %

Source : PNUE

Émissions de dioxyde de carbone

Données mondiales :

Le principal gaz à effet de serre est le CO2. Sa teneur dans l’atmosphère est, en avril 2021, de 419 ppm, en volume. Il est produit par les activités industrielles, les transports, le chauffage, ainsi que par les feux de forêt. Sa teneur dans l’atmosphère, avant la révolution industrielle, était, en 1750, de 280 ppmv.

Quelques exemples de production de CO2, en France, en 2013.

  • Production d’acier : 1,10 t de CO2/t d’acier.
  • Production de verre : 0,64 t de CO2/t de verre.
  • Production de ciment : 0,9 t de CO2/t de clinker.

Par sources d’énergie, dans le monde, les émissions de CO2 proviennent, en 2013, à 45 % du charbon, 34 % du pétrole, 20 % du gaz naturel.

Émissions de CO2, en 2019, en millions de t et en t par habitant, sur un total mondial de 38 017 millions de t et de 4,9 t/habitant/an et dans l’Union européenne à 28, de 3 304 millions de t et 6,5 t/habitant/an :

Total t CO2/ha Total t CO2/ha
Chine 11 535 8,1 Canada 585 15,7
États-Unis 5 107 15,5 Afrique du Sud 495 8,5
Inde 2 597 1,9 Mexique 485 3,7
Russie 1 792 12,5 Brésil 478 2,3
Japon 1 154 9,1 Australie 433 17,3
Allemagne 703 8,5 Turquie 416 5,0
Iran 702 8,5 Royaume Uni 365 5,5
Corée du Sud 652 12,7 Italie 332 5,6
Indonésie 626 2,5 Pologne 318 8,4
Arabie Saoudite 615 18,0 France 315 4,8

Source : « Fosil CO2 emissions of all world countries« , 2020 report, European Commission

Par habitant, en 2019, les émissions les plus élevées sont au Qatar : 38,8 tCO2/ha/an, à Curaçao : 36,4 tCO2/ha/an, à Trinidad et Tobago : 23,8 tCO2/ha/an, au Koweït : 23,3 tCO2/ha/an, au Bahreïn : 21,6 tCO2/ha/an…

Émissions de CO2 dues à la production d’électricité, en 2013 : monde : 12 658 millions de t de CO2, Union européenne : 1 207 millions de t de CO2 .

en millions de t de CO2
Chine 3 786 Japon 584
États-Unis 2 128 Allemagne 332
Inde 945 Corée du Sud 300
Russie 680 Royaume Uni 163

Source : AIE

Cycle du CO2

Fixation du dioxyde de carbone

Une partie des émissions est absorbée par :

La végétation lors de la photosynthèse :

6 H2O + 6 CO2 = C6H12O6 + 6 O2

Pour fixer le CO2 émis, en France, par la combustion des combustibles fossiles, il faudrait reboiser 1/10 du territoire (1/4 du reboisement du pays pour les émissions des États-Unis).

Les océans, qui dissolvent de 30 à 50 % des émissions de dioxyde de carbone. La dissolution et l’émission du gaz par les océans dépendent de la température. Les régions intertropicales émettent du gaz, les régions froides dissolvent le gaz.

CO2 + 2 H2O = HCO3 + H3O+

Une partie des ions carbonates des océans précipite dans les sédiments sous forme de carbonate de calcium.

Stocks

En milliards de t de CO2.

  • Océans : 142 570 à 90 % sous forme d’ion hydrogénocarbonate (HCO3), 9 % sous forme d’ion carbonate et 1 % sous forme de dioxyde de carbone dissous.
  • Biosphère : 13 000 à 17 000.
  • Réserve d’énergie fossile : de 2 300 à 5 700.
  • Atmosphère : 3 040.

Échanges

Ils concernent :

  • Les océans qui échangent, de façon équilibrée, avec l’atmosphère 100 milliards de t/an, la biomasse, 60 milliards de t/an.
  • Entre 2000 et 2009, les activités humaines ont libéré 340 milliards de t d’équivalent CO2. L’atmosphère a absorbé 160 milliards de t, les océans 90 milliards de t. Les forêts séquestrent 9,2 milliards de t/an.

Conséquences climatiques

La conséquence de l’augmentation de la teneur de l’atmosphère en gaz à effet de serre est l’échauffement global de la terre. Le taux de gaz carbonique est passé de 280 ppm en 1750 à 419 ppm, en avril 2021. D’après le groupe intergouvernemental d’experts sur l’évolution du climat (GIEC), ce taux pourrait atteindre une valeur comprise entre 540 et 970 ppm en 2100 avec, comme conséquence, une hausse moyenne des températures de 3°C.
Au XXème siècle, en France, l’augmentation des températures a été de 0,7°C dans le nord-est et 1,1°C dans le sud-ouest.

Cette hausse de la température aura de nombreuses conséquences :

  • Fonte des glaciers et dilatation de l’eau de mer qui entraîneront une hausse du niveau des mers. Entre 1901 et 2010, le niveau moyen des mers s’est élevé, en moyenne, de 1,7 ± 0,3 mm/an et entre 1993 et 2010, cette hausse a été de 3,2 ± 0,4 mm/an.
  • Baisse du niveau des fleuves.
  • Acidification des océans.
  • Épidémies liées aux grandes chaleurs.
  • Famines liées à la disparition de terres arables qui pourraient créer de gigantesques déplacements de « réfugiés du climat ».

Directives et initiatives mondiales

Le protocole de Kyoto

La conférence de Kyoto sur le réchauffement de la Terre a eu lieu à la fin de l’année 1997. En 2001, 180 pays se sont mis d’accord sur l’application du protocole de Kyoto limitant les émissions de gaz à effet de serre. Ce traité fixe une injonction : « les pays industrialisés doivent diminuer leurs émission de gaz à effet de serre d’au moins 5 % par rapport au niveau de 1990 au cours de la période d’engagement allant de 2008 à 2012 ».

Parmi les pays ayant refusé de signer ce protocole on trouve les États-Unis, l’Australie, ainsi que l’Égypte et l’Indonésie. Ce protocole est entré en vigueur au début de l’année 2005, il fixe comme priorité les économies d’énergie.

A Durban, en 2012, le protocole de Kyoto a été prolongé jusqu’en 2020.

Les bourses d’échange.

Pour atteindre les objectifs de réduction d’émission de CO2, les pays signataires du protocole de Kyoto ont mis en place une « bourse d’échange » du CO2.
Kyoto et la commission de Bruxelles ont fixé un prix à la tonne de CO2, ou plus exactement aux tonnes d’émission de CO2 évitées. Il est donc désormais possible de vendre les tonnes de CO2 non émises par une entreprise à une autre entreprise.

Bibliographie