Des scientifiques dévoilent le système de capture du carbone le moins coûteux à ce jour

Capter le_CO2 avant qu'il ne flotte dans l'atmosphère est un élément clé pour ralentir le réchauffement de la planète. La création d'incitations pour que les plus grands émetteurs adoptent la technologie de piégeage du carbone est toutefois un précurseur important. Le coût élevé de la technologie de capture commerciale est un obstacle de longue date à son utilisation généralisée.

Les scientifiques du PNNL pensent que le méthanol peut fournir cette incitation. Il a de nombreux usages en tant que carburant, solvant et ingrédient important dans les plastiques, la peinture, les matériaux de construction et les pièces automobiles. La conversion du_CO2 en substances utiles comme le méthanol offre aux entités industrielles la possibilité de capturer et de réutiliser leur carbone.

Le chimiste du PNNL David Heldebrant, qui dirige l'équipe de recherche à l'origine de cette nouvelle technologie, compare ce système au recyclage. De même que l'on peut choisir entre des matériaux à usage unique et des matériaux recyclables, on peut aussi recycler le carbone.

"C'est essentiellement ce que nous essayons de faire ici", a déclaré Heldebrant. "Au lieu d'extraire le pétrole du sol pour fabriquer ces produits chimiques, nous essayons de le faire à partir du_CO2 capturé dans l'atmosphère ou dans les usines de charbon, afin qu'il puisse être reconstitué en choses utiles. On maintient le carbone en vie, pour ainsi dire, et on ne se contente pas de l'extraire du sol, de l'utiliser une fois et de le jeter. Nous essayons de recycler le_CO2, tout comme nous essayons de recycler d'autres choses comme le verre, l'aluminium et les plastiques."

Comme le décrit la revue Advanced Energy Materials, le nouveau système est conçu pour s'adapter aux centrales électriques alimentées au charbon, au gaz ou à la biomasse, ainsi qu'aux fours à ciment et aux aciéries. Grâce à un solvant de capture mis au point par le PNNL, le système capture les molécules de_CO2 avant qu'elles ne soient émises, puis les convertit en substances utiles et vendables.

Une longue série de dominos doivent tomber avant que l'on puisse éliminer complètement le carbone ou l'empêcher totalement de pénétrer dans l'atmosphère terrestre. Cet effort - la diffusion de la technologie de capture et de conversion dans le monde - constitue l'une des premières étapes cruciales.

Le déploiement de cette technologie permettra de réduire les émissions, a déclaré M. Heldebrant. Mais elle pourrait également contribuer à stimuler le développement d'autres technologies de capture du carbone et à établir un marché pour les matériaux_{contenant du CO2}. Avec un tel marché en place, le carbone saisi par les technologies anticipées de capture directe dans l'air pourrait être mieux reconstitué en matériaux à plus longue durée de vie.

L'appel à un piégeage du carbone moins coûteux

En avril 2022, le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat a publié le rapport de son groupe de travail III consacré à l'atténuation du changement climatique. Parmi les mesures de limitation des émissions exposées, le captage et le stockage du carbone ont été désignés comme un élément nécessaire pour atteindre des émissions nettes nulles, en particulier dans les secteurs difficiles à décarboniser, comme la production d'acier et de produits chimiques.

"La réduction des émissions dans l'industrie impliquera une utilisation plus efficace des matériaux, la réutilisation et le recyclage des produits et la réduction des déchets", a déclaré le GIEC dans un communiqué de presse publié en même temps que l'un des volets du rapport pour 2022. "Afin d'atteindre des émissions nettes de_CO2 nulles pour le carbone nécessaire à la société (par exemple, les plastiques, le bois, les carburants d'aviation, les solvants, etc.)," peut-on lire dans le rapport, "il est important de fermer les boucles d'utilisation du carbone et du dioxyde de carbone par une circularité accrue avec un recyclage mécanique et chimique."

Les recherches du PNNL sont axées sur cet objectif, en accord avec le programme Carbon Negative Shot du DOE. En utilisant de l'hydrogène d'origine renouvelable dans la conversion, l'équipe peut produire du méthanol avec une empreinte carbone plus faible que les méthodes conventionnelles qui utilisent le gaz naturel comme matière première. Le méthanol produit par conversion du_CO2 pourrait bénéficier d'incitations politiques et commerciales destinées à favoriser l'adoption de technologies de réduction du carbone.

Le méthanol est l'une des substances chimiques les plus produites en volume. Connu sous le nom de "matériau plate-forme", ses utilisations sont très variées. Outre le méthanol, l'équipe peut convertir le_CO2 en formate (un autre produit chimique de base), en méthane et en d'autres substances.

Il reste encore beaucoup de travail pour optimiser et mettre à l'échelle ce procédé, et il faudra peut-être plusieurs années avant qu'il ne soit prêt pour un déploiement commercial. Mais, selon Casie Davidson, responsable du secteur de marché Gestion du carbone et énergie fossile du PNNL, le remplacement des produits chimiques de base conventionnels n'est qu'un début. "L'approche intégrée de l'équipe ouvre la voie à un monde de nouveaux produits chimiques de conversion du_CO2. Nous avons l'impression de nous trouver au seuil d'un tout nouveau domaine de technologie du carbone évolutive et rentable. C'est une période très excitante."

Des coûts en baisse

Selon une analyse du DOE, les systèmes commerciaux absorbent le carbone des gaz de combustion pour un coût d'environ 46 dollars par tonne métrique de_CO2. L'objectif de l'équipe du PNNL est de réduire continuellement les coûts en rendant le processus de capture plus efficace et économiquement compétitif.

L'équipe a ramené le coût de la capture à 47,10 dollars par tonne métrique de_CO2 en 2021. Une nouvelle étude décrite dans le Journal of Cleaner Production explore le coût de fonctionnement du système de méthanol en utilisant différents solvants de captage mis au point par le PNNL, et ce chiffre est maintenant tombé juste en dessous de 39 dollars par tonne métrique de_CO2.

"Nous avons examiné trois solvants de_{fixation du CO2} dans cette nouvelle étude", a déclaré l'ingénieur chimiste Yuan Jiang, qui a dirigé l'évaluation. "Nous avons constaté qu'ils capturent plus de 90 % du carbone qui passe à travers eux, et ce pour environ 75 % du coût de la technologie de capture traditionnelle."

Différents systèmes peuvent être utilisés en fonction de la nature de l'usine ou du four. Mais, quelle que soit la configuration, les solvants jouent un rôle central. Dans ces systèmes, les solvants balaient les gaz de combustion_{riches en CO2} avant qu'ils ne soient émis, laissant derrière eux des molécules de_CO2 désormais liées à ce liquide.

La création de méthanol à partir de_CO2 n'est pas nouvelle. Mais la possibilité de capturer le carbone et de le convertir en méthanol dans un seul système à flux continu l'est. Traditionnellement, le captage et la conversion se font en deux étapes distinctes, séparées par la chimie unique et souvent non complémentaire de chaque processus.

"Nous nous assurons enfin qu'une seule technologie peut réaliser les deux étapes et les réaliser correctement", a déclaré M. Heldebrant, ajoutant que la technologie de conversion traditionnelle nécessite généralement du_CO2 hautement purifié. Le nouveau système est le premier à créer du méthanol à partir de_CO2"sale".

Réduire les émissions de demain

Le processus de captage du_CO2 et de sa conversion en méthanol n'est pas_{négatif en termes de CO2}. Le carbone contenu dans le méthanol est libéré lorsqu'il est brûlé ou séquestré lorsque le méthanol est converti en substances ayant une durée de vie plus longue. Mais cette technologie "prépare le terrain", a déclaré M. Heldebrant, pour l'important travail consistant à maintenir le carbone lié à l'intérieur des matériaux et hors de l'atmosphère.

Les autres matériaux visés sont les polyuréthanes, que l'on trouve dans les adhésifs, les revêtements et les mousses isolantes, et les polyesters, qui sont largement utilisés dans les tissus. Une fois que les chercheurs auront mis au point la chimie permettant de convertir le_CO2 en matériaux qui le maintiennent hors de l'atmosphère à des échelles de temps pertinentes pour le climat, un large éventail de systèmes de capture pourrait être prêt à mettre en œuvre ces réactions.

Au lieu des cheminées d'aujourd'hui, M. Heldebrant imagine des raffineries de_CO2 intégrées aux centrales électriques ou à côté de celles-ci, où les produits_{contenant du CO2} peuvent être fabriqués sur place. "Nous sommes à un tournant", écrivent Heldebrant et ses coauteurs dans un récent article publié dans la revue Chemical Science, "où nous pouvons continuer à utiliser l'infrastructure monolithique de captage et de conversion du 20e siècle ou nous pouvons commencer la transition vers un nouveau paradigme du 21e siècle de technologies intégrées de captage et de conversion du carbone à base de solvants."