Quelles sont les technologies actuelles pour la capture et l'utilisation du CO2 dans les industries ?

Les projets de captage du CO2 connaissent des avancées significatives, en particulier dans des sites pilotes comme le projet Otway en Australie. Depuis 2008, ce projet a permis l'injection de plus de 95 000 tonnes de CO2 dans des réservoirs de gaz épuisés et des formations salines, démontrant ainsi l'efficacité et la sécurité des méthodes de stockage. Parallèlement, des technologies de surveillance avancées ont été mises en place, réduisant les coûts de surveillance de 85 % grâce à des techniques comme la surveillance permanente de la pression et la détection acoustique distribuée. Ce projet a également contribué à établir des normes réglementaires pour le captage et le stockage du carbone (CCS) en Australie, influençant ainsi les projets futurs à l'échelle mondiale. Ces succès positionnent le projet Otway en tête de la recherche et du développement dans le domaine de la capture du CO2.

L'un des principaux défis des technologies de capture du CO2 est la réduction des coûts de séparation. Actuellement, la séparation du CO2 n'est rentable que pour les flux à forte pression et à grand volume, ce qui ne représente qu'une petite fraction des gaz émis. Il devient donc crucial d'améliorer l'efficacité des technologies existantes pour rendre leur utilisation plus généralisée et plus accessible. Un exemple notable de cette démarche est le projet mené par la Bahrain Gulf Petrochemical Industries Company. En collaboration avec les entreprises Tecnoment (Italie) et Mitsubishi Heavy Industries (Japon), cette entreprise a lancé une unité de récupération du CO2, la première dans la région du Golfe, visant à réduire les émissions de CO2. Ce système récupère le CO2 des gaz d'échappement d'une unité de méthanol et le redirige vers des unités de production d'urée et de méthanol, ce qui permet de réduire les émissions de plus de 100 000 tonnes de CO2 par an.

Les industries pétrochimiques ont ainsi adopté des technologies de captage et d'utilisation du CO2 (CCU) pour limiter leur impact environnemental. Ces technologies permettent de capter le CO2 des gaz d'échappement et de le convertir en produits de valeur, comme le méthanol ou des polymères, participant ainsi à une économie circulaire. Toutefois, malgré ces avantages environnementaux évidents, des défis subsistent, notamment en termes d'efficacité des technologies et de la mise en place de cadres réglementaires adaptés.

Dans l'industrie pétrochimique, les procédés de séparation comme l'adsorption sont de plus en plus utilisés pour capter le CO2. L'adsorption repose sur des matériaux solides, comme les adsorbants carbonés ou les MOFs (matériaux à base de structures organiques métalliques), qui sont constamment améliorés pour augmenter leur capacité de capture tout en réduisant les coûts énergétiques liés à leur régénération. Les technologies comme l'adsorption par pression swing (PSA) ou température swing (TSA) sont privilégiées en raison de leur faible consommation énergétique par rapport aux méthodes classiques d'absorption chimique.

L'optimisation des structures poreuses des matériaux et l'intégration de diverses technologies sont des axes de recherche prometteurs pour améliorer encore la performance du captage du CO2, en particulier dans les applications industrielles post-combustion. Ces avancées permettent non seulement de réduire l'empreinte carbone des industries mais aussi de rentabiliser les processus de production en valorisant le CO2 capté.

Il est également important de souligner que, malgré les progrès réalisés, l'efficacité de la séparation du CO2 reste insuffisante dans certains secteurs industriels, comme la production d'énergie ou le ciment. Bien que des technologies de capture du CO2 aient été testées à l'échelle pilote dans ces secteurs, elles n'ont pas encore atteint une échelle commerciale suffisante. La mise en place de systèmes CCUS (capture, stockage et utilisation du CO2) dans ces industries est devenue non seulement une nécessité, mais une obligation pour atteindre les objectifs climatiques mondiaux.

L'application de technologies telles que la capture du CO2 dans des centrales à charbon ou dans l'industrie du ciment, par exemple, nécessitent des innovations non seulement au niveau des procédés techniques, mais aussi dans les stratégies de régulation et de financement. Les secteurs à haute émission de CO2 doivent non seulement adopter ces technologies, mais aussi se préparer à des évolutions réglementaires de plus en plus strictes, qui imposeront des normes de plus en plus élevées pour limiter les émissions de gaz à effet de serre.

Comment la biomasse et le biochar peuvent-ils améliorer la capture du CO2 ?

La préparation du charbon actif (CA) implique généralement deux processus : la carbonisation et l'activation. La carbonisation consiste à éliminer les composés volatils à des températures élevées, tandis que l'activation consiste à former des pores complexes grâce à la réaction du matériau restant avec un agent actif. Les principaux constituants pour la production de CA peuvent inclure des combustibles fossiles comme le charbon, des biomasses telles que le bois, les coques d'amandes et de noisettes, ainsi que des résines ou d'autres matériaux riches en carbone. De nombreuses études se concentrent sur le charbon actif dérivé des combustibles fossiles non renouvelables, car il présente une grande capacité d'adsorption du CO2.

Le processus de carbonisation implique de chauffer l'air stagnant pour décomposer les éléments non carbonés (hydrogène, oxygène, azote) et obtenir une matière carbonée. L'activation, qu'elle soit physique ou chimique, crée de la porosité et des sites actifs, augmentant ainsi la surface spécifique (SA). L'activation physique peut être réalisée en utilisant du dioxyde de carbone, de la vapeur ou de l'air à des températures de 1250 à 1100 K. L'activation chimique, quant à elle, implique l'utilisation d'agents tels que l'hydroxyde de potassium (KOH), l'acide phosphorique (H3PO4) ou le chlorure de zinc (ZnCl2). Des études ont montré que l'augmentation de la température (au-dessus de 830 K) permet de former davantage de micropores.

L'utilisation de la biomasse et du biochar comme précurseurs peu coûteux pour les adsorbants de CO2 offre une solution double : faciliter la capture du carbone tout en répondant au défi de la gestion des déchets. La biomasse, provenant de matériaux organiques tels que les résidus agricoles, les déchets forestiers et les déchets solides municipaux, est à la fois abondante et renouvelable. Lorsqu'elle est transformée en biochar par pyrolyse, elle devient un matériau poreux riche en carbone avec des propriétés uniques qui améliorent son efficacité en tant qu'adsorbant de CO2. Le biochar présente un caractère hydrophobe, ce qui augmente considérablement son affinité pour le CO2 gazeux, permettant une adsorption plus efficace par rapport aux matériaux traditionnels.

Le processus cyclique d'adsorption tire parti des propriétés uniques du biochar pour créer une méthode efficace et durable pour la capture du CO2. Ce processus alterne entre des périodes d'adsorption et de régénération, maximisant ainsi l'utilisation du biochar en tant qu'adsorbant sur plusieurs cycles. En employant la biomasse et le biochar comme adsorbants de CO2 peu coûteux à travers un processus d'adsorption cyclique, on ne répond pas seulement au défi urgent de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre, mais on propose également une stratégie durable pour la gestion des déchets solides. Cette approche intégrée améliore l'efficacité des ressources, contribue à la durabilité environnementale et s'inscrit dans l'agenda mondial de lutte contre le changement climatique tout en favorisant les économies circulaires.

Les propriétés uniques du biochar, combinées à la nature dynamique de l'adsorption cyclique, ouvrent la voie à des avancées innovantes dans les technologies de capture du carbone. De plus, la biomasse, en tant que matériau renouvelable, présente l'avantage d'être facilement accessible et souvent disponible en grande quantité, ce qui permet une réduction substantielle des coûts liés à la production de ces adsorbants.

En parallèle, les déchets solides issus de divers secteurs comme l'ingénierie du charbon, la fabrication agricole, la gestion de l'eau et les foyers génèrent des quantités énormes de résidus chaque année. Selon le Programme des Nations Unies pour l'environnement, la production annuelle mondiale de biomasse provenant de l'agriculture est estimée à environ 140 milliards de tonnes métriques. Les méthodes traditionnelles de traitement des déchets, telles que les décharges et l'incinération, contribuent néanmoins au changement climatique et à la pollution de l'eau, de l'air et des sols. Afin de répondre à ces défis environnementaux, de nombreuses recherches sont menées pour concevoir des stratégies innovantes de gestion des déchets.

Un axe central de ces recherches porte sur la création de produits à haute valeur ajoutée dérivés des déchets de biomasse abondants. Cette démarche est particulièrement pertinente dans le cadre de la réduction des coûts de capture du CO2 et de la minimisation de la pénalité énergétique associée à ce processus. La réduction efficace des émissions de CO2 provenant des gaz de cheminée représente un défi considérable, et la production de produits précieux à partir des déchets de biomasse peut jouer un rôle clé dans la résolution de ce problème.

La biomasse lignocellulosique, comprenant le bois et les sous-produits agricoles ou forestiers, est le type de biomasse non comestible le plus répandu. Ces matériaux sont principalement composés de cellulose, d'hémicellulose, de lignine et d'une faible proportion d'extractifs. Transformer cette biomasse lignocellulosique en matériaux fonctionnels, tels que des adsorbants de CO2 à base de carbone, constitue une stratégie prometteuse pour non seulement réutiliser les déchets de biomasse, mais aussi atténuer la pollution environnementale résultant des décharges.

La création de CA à partir des sous-produits agricoles a suscité un intérêt croissant en raison de son potentiel à recycler ces matériaux tout en réduisant les coûts de production par rapport aux sources conventionnelles telles que le charbon. Les processus de recyclage et de réutilisation des déchets sont non seulement écoénergétiques, mais ils ont également gagné en popularité en raison de leurs avantages pour l'environnement et de leur capacité à réduire les dépenses. Par exemple, les noyaux d'olives ont été soumis à une carbonisation à 600°C sous un flux de N2, suivie d'une activation à 800°C. Les adsorbants de biochar résultants ont montré une capacité d'adsorption du CO2 notablement plus élevée, atteignant 107 mg/g, comparée à 86 mg/g pour ceux créés à partir de noyaux d'olive imprégnés d'ammoniac.

Les coques de palmier ont également été utilisées comme matières premières dans des procédés similaires. Cela démontre qu'il est possible de transformer une variété de biomasses agricoles en matériaux fonctionnels efficaces pour la capture du CO2, tout en apportant une contribution significative à la gestion des déchets et à la réduction des émissions de gaz à effet de serre.