Evaluer le rôle des options d'atténuation du climat pour atteindre la neutralité globale en carbone

Assessing the role of climate mitigation options to achieve the global carbon neutrality

• Auteur / Autrice : Yann Gaucher
• Direction : Philippe Ciais
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement - DRF
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Réduction d'émissions

Elimination du carbone

Elimination du méthane

Accords de Paris

Scénarios d'émissions

Coûts et analyse des coûts

Emission reductions

Carbon dioxide removal

Methane removal

Paris agreement

Emission scenarios

Cost analysis

Résumé

L'Accord de Paris requiert de 'maintenir l'augmentation de la température moyenne mondiale bien en dessous de 2 ° C par rapport aux niveaux préindustriels et de poursuivre les efforts visant à limiter l'augmentation de la température à 1,5 ° C au-dessus des niveaux préindustriels'. Le rapport spécial du GIEC sur le réchauffement planétaire de 1,5 ° C (SR15) a mis en avant le concept de neutralité globale en carbone à l'horizon 2050 nécessaire pour atteindre l'objectif de 1,5 ° C de l'Accord de Paris (GIEC 2018). La publication du SR15 du GIEC a contribué à la dynamique politique en faveur de l'objectif de neutralité carbone d'ici 2050, déclaré par 77 pays, 10 régions et plus de 100 villes à la fin du Sommet des Nations Unies pour l'action sur le climat, fin septembre 2019 (Kosolapova 2019). . Alors que l'objectif ambitieux de neutralité carbone fait l'objet d'une adoption généralisée, nous affirmons que cet objectif doit faire l'objet d'un examen minutieux afin de comprendre ce qu'il signifie concrètement. Il existe de nombreuses façons de combiner des mesures dans différents secteurs compatibles avec un tel objectif. Le doctorat proposé se concentrera sur certaines options d'atténuation et s'efforcera de comprendre le rôle de ces options dans la définition des voies de décarbonisation. Dans un premier temps, le projet étudiera à quel point le captage et le stockage du carbone (CSC), et la capture et réutilisation du CO2 pour des carburants et produits chimiques, qui est actuellement en discussion en Europe (Commission 2018), revêt une importance cruciale pour la neutralité carbone. Deuxièmement, le projet évaluera le rôle de l'énergie nucléaire dans les voies de décarbonisation, une option permettant de produire de l'énergie sans dégager de CO2. Troisièmement, l'amélioration de l'altération chimique des sols, une idée émergente et sans doute prometteuse consistant à appliquer des poudres de silicate sur des champs cultivés afin d'améliorer les processus d'absorption du carbone et d'augmenter la production biologique (Köhler et al. 2010; Beerling et al. 2018), sera également évaluée. Cette option d'atténuation fait l'objet de travaux de recherche intensifs au Royaume Uni et aux USA, avec la création d'un centre de recherche sur le sujet (Leverhulme Center on climate mitigation : http://lc3m.org ) Toutes les analyses examineront comment la disponibilité de certaines options d'atténuation peut influer sur les voies de décarbonisation en prenant en compte de manière dynamique la réaction des processus et des rétroactions du cycle du carbone associés (Ciais et al. 2013). Ce projet impliquera des collaborations avec différentes unités du CEA impliquées dans l'initiative de «fermeture du cycle du carbone» FOCUS et permettra au CEA de disposer d'un modèle d'évaluation intégré simple et robuste pour simuler l'impact quantitatif de divers systèmes de production d'énergie sur les concentrations de GES dans l'atmosphère et les prévisions climatiques. Une collaboration sera mise en place avec les partenaires du projet FOCUS pour le cluster » biocarburants et produits chimiques » sur les coûts et efficacité des procédés, et de déploiement potentiel du CCU à grande échelle. Le doctorat Le projet utilisera une approche d'évaluation intégrée et utilisera le modèle du cycle du carbone inégré, de la chimie de l'atmosphère et du climat (ACC2) (Tanaka et al. 2007). ACC2 décrit les principaux processus physiques et biogéochimiques du cycle global du carbone et du système climatique, ainsi que les coûts économiques liés à l'atténuation des changements climatiques. Plus précisément, le cycle du carbone terrestre et océanique est décrit par un modèle en compartiments avec des cinétiques de premier ordre. Le climat physique est représenté par un modèle de diffusion de chaleur. La composante économique est représentée de manière idéalisée par un ensemble de courbes globales de coût de réduction marginal (marginal abatment curves MAC) pour le CO2, le CH4 et le N2O, comme dans la plupart des modèles intégrés qui servent pour les scénarios du GIEC. Ce modèle permet de calculer des scénarios d'émission optimaux en termes de minimisation sous contrainte des couts économiques, pour atteindre des objectifs tels que l'objectif de 1,5 ° C et la neutralité carbone (Tanaka et O'Neill 2018). Pour mener à bien les trois analyses proposées ci-dessus, le projet améliorera ACC2 en ce qui concerne les deux aspects suivants. Tout d'abord, en relation avec les deux premières analyses, nous développerons des courbes MAC liées à des ensembles spécifiques d'options d'atténuation (par exemple, les courbes MAC tenant compte de toutes les options sauf CCS) (Azar et al. 2013), ce qui nous permettra d'étudier le rôle des mesures d'atténuation spécifiques et des options pour déterminer les voies de neutralité carbone. Deuxièmement, nous rendrons la représentation du cycle du carbone plus complète en intégrant au modèle i) le transport du carbone de la terre à l'océan par les fleuves (Regnier et al. 2013) et ii) les cycles globaux de l'azote et du phosphore (Mackenzie et al. 2011). Ces ajouts sont importants pour la troisième analyse car une altération améliorée peut influer sur la productivité biologique en fournissant des éléments nutritifs, mais aussi parce qu'une altération accrue peut altérer le stockage de carbone dans les océans côtiers et ouverts par le transport latéral de carbone. Le projet de thèse sera situé au Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE). Le projet peut être mené conjointement avec le projet PRATO «Atteindre les objectifs de température après dépassement» de l'Accord de Paris dans le cadre du programme MOPGA (Make our Planet Great Again), qui utilise également l'approche ACC2 et fait appel à une équipe de collaborateurs français et internationaux aux compétences variées. . Le principal résultat visé est deux publications: un document sur le rôle des options d'atténuation et un autre sur l'altération améliorée. Les deux documents incluront des développements de modèles connexes. Le projet visera à éclairer le débat politique sur le choix des voies à suivre et à apporter des contributions au bilan mondial en 2023 ( Global stock take de l'Accord de Paris). Dans le cadre du programme FOCUS, le projet offre au CEA la possibilité de disposer d'un modèle intégré socioéconomique de trajectoires de décarbonisation compatibles avec des objectifs climatiques, incluant différentes options dont celle de la production d'électricité nucléaire, et celle de la réutilisation du CO2 pour biocarburants et produits chimiques.

The Paris Agreement calls for “holding the increase in the global average temperature to well below 2 °C above pre-industrial levels and pursuing efforts to limit the temperature increase to 1.5 °C above pre-industrial levels.” The subsequently released Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Special Report Global Warming of 1.5 °C (SR15) highlighted the concept of global carbon neutrality by 2050 required to achieve the 1.5 °C goal in the Paris Agreement (IPCC 2018). The publication of IPCC SR15 contributed to the political momentum toward the carbon neutrality goal by 2050, which has been declared by 77 countries, ten regions and over 100 cities by the time of the United Nations Climate Action Summit in late September 2019 (Kosolapova 2019). While the ambitious carbon neutral goal sees widespread adoption, we argue that the goal needs detailed scrutiny to understand what the goal practically means. There are many ways to combine measures in different sectors that are consistent with such a goal. The proposed Ph.D. project will focus on selected mitigation options and strive to understand the role of these options for shaping decarbonization pathways. First, the project will investigate how crucial the carbon capture and storage (CCS) and carbon capture and reuse (CCU) – currently an issue at stake in the EU (Commission 2018) – will be in carbon neutral pathways. Second, the project will assess the role of nuclear energy in decarbonization pathways, an option that allows energy production without releasing CO2. Third, enhanced weathering, an emerging and arguably promising idea of applying silicate rocks on crop fields to enhance carbon-absorbing weathering processes as well as increase the biological production (Köhler et al. 2010; Beerling et al. 2018), will also be assessed. All the analysis will investigate how the availability of certain mitigation options can influence decarbonization pathways by dynamically considering the response of related carbon cycle processes and feedbacks (Ciais et al. 2013). This project will involve collaborations with different CEA units involved in the “carbon cycle closure” FOCUS initiative and will allow CEA to dispose of a simple and robust integrated assessment model to simulate the quantitative impact of various energy production systems on atmospheric GHG concentrations and climate projections. Collaborations within the FOCUS cluster “biofuels and chemical products” will be developed, on the costs and efficiency, and possible scalability of CCU technologies. The Ph.D. project will employ an Integrated Assessment approach and will use the Aggregated Carbon Cycle, Atmospheric Chemistry, and Climate model (ACC2) (Tanaka et al. 2007). ACC2 describes major physical and biogeochemical processes in the global carbon cycle and climate system as well as considers economic costs of climate mitigation. More specifically, the land and ocean carbon cycle is described by a box model. The physical climate is represented by a heat diffusion model. The economy component is a set of global marginal abatement cost (MAC) curves for CO2, CH4, and N2O. This model allows one to derive cost-effective emission pathways to achieve goals such as the 1.5 °C target and carbon neutrality (Tanaka and O'Neill 2018). To conduct the three analyses proposed above, the project will improve ACC2 in terms of the following two aspects. First, related to the first two analyses, we will develop MAC curves tied to specific sets of mitigation options (e.g. MAC curves considering all options but CCS) (Azar et al. 2013), which will allow us to investigate the role of specific mitigation options in determining carbon neutral pathways. Second, we will make the representation of carbon cycle more comprehensive by implementing to the model i) the carbon transport from land to the ocean through rivers (Regnier et al. 2013) and ii) the global nitrogen and phosphorus cycles (Mackenzie et al. 2011). These additions are advantageous for the third analysis because enhanced weathering can influence the biological productivity by providing nutrients and also because enhanced weathering can alter the carbon storage in the coastal and open ocean through lateral carbon transport. The PhD project will be located at the Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE). The project may be conducted jointly with the Achieving the Paris Agreement Temperature Targets after Overshoot (PRATO) project under the Make Our Planet Great Again (MOPGA) programme, which also uses the ACC2 approach and involve a team of French and international collaborators with diverse expertise. The main target output is two peer-reviewed papers: one paper on the role of mitigation options and another paper on the enhanced weathering. Both papers will include related model developments. The project will aim to inform the political debate on the choice of future pathways and provide inputs to the Global Stocktake in 2023, including new technologies such as CCU, relevant for the FOCUS program of CEA.