Aperçu des technologies de capture de produits chimiques

Le captage du carbone chimique désigne les procédés qui utilisent des réactions chimiques pour séparer le dioxyde de carbone (CO2) des flux d'échappement industriels avant qu'il n'atteigne l'atmosphère.Ces méthodes exploitent l'affinité de certains composés pour le CO2, formant des espèces chimiques intermédiaires qui peuvent être inversées ou converties en produits stables.Bien qu'il existe des techniques de séparation physique comme la distillation cryogénique, les méthodes chimiques permettent d'obtenir une plus grande sélectivité et efficacité, surtout lorsque les concentrations de CO2 dans les gaz de combustion sont modérées à faibles (4–15 % en volume). Le principe fondamental consiste à réagir chimiquement entre un agent de captage — oxyde liquide, solide ou métallique — et le CO2, puis à régénérer l'agent pour libérer un flux concentré de CO2 qui convient à la compression, au stockage ou à l'utilisation.

Principales techniques de capture chimique

Absorption à l'aide de solvants liquides

Dans un système de capture typique après combustion, le gaz de combustion est passé par une colonne absorbante où il contacte un solvant amine aqueux, le plus souvent la monoéthanolamine (MEA). Les molécules d'amine réagissent de façon réversible avec le CO2 pour former des espèces de carbamate et de bicarbonate, frottant efficacement le gaz. Le solvant riche en CO2 est ensuite pompé dans une colonne régénératrice (stripper), chauffée à environ 120–150 °C, inversant la réaction et produisant un flux de CO2 presque pur. Le solvant régénéré est recyclé à l'absorbeur.

Le nettoyage des mines a été prouvé à grande échelle — l'installation de CSC de Boundary Dam en Saskatchewan, au Canada, utilise ce procédé depuis 2014 pour capter ~1 million de tonnes de CO2 par année provenant d'une centrale au charbon. Cependant, les inconvénients comprennent une consommation élevée d'énergie pour la régénération des solvants (généralement 2,5–4 GJ par tonne de CO2 capturée), la dégradation des solvants par l'oxygène et d'autres contaminants des gaz de combustion, la corrosion des équipements et les émissions d'amines. Pour remédier à ces problèmes, des solvants de prochaine génération ont été mis au point : des amines comme le 2-amino-2-méthyl-1-propanol (AMP) ont été entravées par des obstacles stériques, ce qui réduit les taux de dégradation; des mélanges d'AEM avec de la méthyldiéthanolamine (MDEA) améliorent l'efficacité énergétique; et des solvants de l'eau-lean comme l'ammoniac réfrigéré réduisent le fardeau calorifique raisonnable.

Adsorption à l'aide de sorbants solides

Les sorbants solides offrent une alternative aux solvants liquides en captant du CO2 par physorption physique ou par chimiorption chimique sur une surface poreuse. Les matériaux clés sont les zéolites, les cadres métal-organiques (MOF), les silices fonctionnelles des amines et le carbone actif. Le procédé utilise généralement l'adsorption par oscillation de température (TSA) ou l'adsorption par oscillation de pression (PSA). Dans le TSA, les gaz de combustion passent sur un lit de sorbant à température plus basse; les adsorbants sorbent le CO2 jusqu'à ce que le lit soit saturé, puis le chauffage (p. ex. à 80–150 °C) pour libérer un flux de CO2 concentré.

Les sorbants solides offrent plusieurs avantages par rapport aux amines liquides : ils évitent les problèmes de manipulation, de corrosion et de dégradation des amines; ils peuvent être adaptés au niveau moléculaire pour une grande sélectivité et une grande capacité; ils peuvent fonctionner sur une plage de température plus large. Par exemple, les MOF comme Mg2(dobpdc) présentent une absorption exceptionnelle de CO2 à basse pression partielle et peuvent être régénérés avec une chaleur modérée. Les silices mésoporeuses greffées à l'amine combinent la chimiosélectivité des amines avec la stabilité des supports solides.

Combustion chimique en boucle

La combustion en boucle chimique (CLC) est une approche fondamentalement différente qui intègre directement la capture de CO2 dans le processus de combustion. Au lieu de brûler du combustible avec de l'air, CLC utilise un oxyde métallique (porteur d'oxygène) pour fournir de l'oxygène pour la combustion. L'oxyde métallique est réduit à un état moins-valent tout en oxydant le combustible en CO2 et H2O. Le métal réduit est ensuite réoxydé dans un réacteur séparé avec de l'air, régénérant le transporteur d'oxygène et produisant un gaz d'échappement sans azote (principalement du CO2 et de l'eau, qui peut être condensé pour produire du CO pur).

Le CLC élimine la nécessité d'une étape de séparation à forte intensité énergétique, car le CO2 est isolé par nature dans le réacteur à combustible. Il évite également la formation de NOx parce que le réacteur à combustible fonctionne sans azote. Des installations pilotes jusqu'à plusieurs mégawatts ont été démontrées (p. ex., l'usine 3 MWt de l'Université technique de Darmstadt et l'unité 1 MWt de Vienne). Cependant, des défis subsistent : l'attrition et l'agglomération des porteurs d'oxygène sur de nombreux cycles, les températures élevées (800 à 1000 °C) des matériaux de déformation et la nécessité d'un transport solide efficace entre les réacteurs.

Carbonation et minéralisation

Les procédés de carbonisation transforment le CO2 en carbonates solides stables par réaction avec des oxydes métalliques ou des silicates. On peut le faire ex situ, broyer des minéraux tels que l'olivine (Mg2SiO4) ou la serpentine (Mg3Si2O5(OH)4) et les réagir avec du CO2 sous une température et une pression élevées pour former des carbonates de magnésium ou de calcium.

Bien que la minéralisation évite les difficultés d'injection du stockage géologique et puisse être intégrée aux matériaux de construction (p. ex., béton durci au carbone), les vitesses de réaction sont lentes et l'énergie nécessaire au broyage et au chauffage est élevée. La recherche actuelle vise à accélérer la carbonation à l'aide d'additifs catalytiques, de réacteurs à haute pression ou de voies de carbonation indirecte.Des entreprises comme CarbonCure injectent du CO2 dans du béton humide pendant le mélange, réalisant à la fois la minéralisation du CO2 et une meilleure résistance à la compression.

Avantages et limites des méthodes de capture de produits chimiques

Les méthodes de captage des produits chimiques offrent une efficacité d'élimination élevée du CO2 (souvent >90%) provenant des flux industriels, même lorsque les concentrations de CO2 sont faibles. Elles peuvent être réaménagées dans des centrales électriques existantes, des fours à ciment, des raffineries et des aciéries, ce qui permet de jeter un pont vers des opérations à faible teneur en carbone et des échelles d'énergie renouvelable.

Cependant, chaque technique comporte des limites. Le lavage des mines souffre d'une pénalité énergétique importante – la régénération consomme généralement 20 à 30% de la production de vapeur de l'usine, réduisant de 15 à 30% la production nette d'électricité. Les sorbants solides doivent encore faire face à des défis d'échelle en termes de stabilité cyclique et de gestion de la chaleur du lit. Le cycle chimique exige des conceptions entièrement nouvelles et des coûts en capital élevés. La minéralisation est à forte intensité énergétique et minière, limitant son débit.

Pénalités énergétiques et considérations de coûts

La pénalité énergétique est la barrière économique la plus critique au captage du CO2 chimique. Pour le lavage des amines après combustion, la vapeur nécessaire à la régénération réduit l'efficacité nette d'une centrale électrique d'environ 8 à 12 points de pourcentage (p. ex., de 40 à 28 à 32 % de VLH), ce qui se traduit par une consommation accrue de carburant par mégawattheure nette et par des coûts plus élevés pour l'électricité.

Les technologies solides sorbantes visent à réduire l'énergie de régénération (1,5–3 GJ/tonne) en utilisant la chaleur résiduelle ou la vapeur à basse température, ce qui pourrait ramener les coûts à 30–50 $ la tonne. La combustion en boucle chimique pourrait théoriquement atteindre des rendements électriques nets comparables à la combustion conventionnelle tout en captant le CO2 à un coût marginal additionnel (<$20/tonne), but the technology is not yet commercially mature. Minimizing the energy penalty requires process integration: recovering heat from flue gases, using low‑grade steam for regeneration, and combining capture with waste‑heat recovery. The IEAS CCUS in Clean Energy Transitions rapport souligne que la recherche et la démonstration soutenues sont essentielles pour réduire les coûts.

Projets de déploiement et de grande envergure actuels

En 2024, plus de 40 installations de captage de carbone à grande échelle sont en exploitation ou en construction dans le monde, et captent près de 50 millions de tonnes de CO2 par an, soit une infime fraction des émissions mondiales (~37 milliards de tonnes).

  • Damon (Canada):[ Centrale au charbon, écraquage des amines, ~1 Mt de CO2/an, opérationnelle depuis 2014.
  • Petra Nova (États-Unis):[ Plante au charbon (maintenant enflammée en raison de l'économie), lavage des amines, ~1,6 Mt de CO2/an pour une récupération accrue du pétrole.
  • Sleipner (Norvège):[ Traitement du gaz naturel, épuration des amines, ~1 Mt de CO2/an injecté dans l'aquifère salin, opérationnel depuis 1996.
  • Gorgon (Australie):[ Traitement du gaz naturel, lavage des amines, jusqu'à 4 Mt de CO2/an; a fait face à des défis d'injection.
  • Fortum Oslo Varme (Norvège):[ Usine de traitement des déchets à l'énergie, lavage des amines, ~0,4 Mt CO2/an (projet en cours d'élaboration pour une pleine échelle).

Parmi les projets émergents utilisant de nouveaux solvants ou des sorbants solides, on peut citer Pilot-scale Advanced CO2 Capture (PACC)[ l'installation d'Alabama, qui teste plusieurs technologies, et le Carbon Clean[ le système modulaire de lavage des amines déployé dans une cimenterie en Inde.

Innovations et orientations futures

Nouveaux solvants et sorbants

Les recherches se poursuivent sur les solvants à faible chaleur de régénération, à plus grande stabilité oxydative et à impact environnemental réduit.Les solvants à changement de phase (p. ex. les systèmes biphasiques qui forment une couche solide ou liquide immiscible riche en CO2) peuvent réduire la charge calorifique raisonnable en n'exigeant qu'une partie du solvant à chauffer. La capture catalysée par enzymes, utilisant l'anhydrase carbonique pour accélérer l'hydratation du CO2 au bicarbonate, fonctionne dans des conditions légères et pourrait réduire l'utilisation d'énergie.

Capture électrochimique

Une approche radicalement différente utilise le courant électrique pour la séparation du CO2, soit en modulant le pH dans une cellule d'électrolyse (p. ex., le processus de rotation du pH) soit en capturant électrochimiquement le CO2 avec des électrolytes à base de quinone. La capture électrochimique peut fonctionner à la température et à la pression ambiantes, ce qui peut réduire la pénalité énergétique thermique et permettre un fonctionnement continu et modulaire.

Intégration avec l'utilisation

Les méthodes de captage des produits chimiques qui produisent un flux de CO2 à haute pureté sont bien adaptées pour être utilisées dans les serres, pour les boissons gazeuses ou comme matière première pour les combustibles synthétiques par hydrogénation. Toutefois, l'échelle d'utilisation est beaucoup plus faible que le volume de CO2 qui doit être éliminé pour atteindre les objectifs climatiques. Par conséquent, la majorité des CO2 capturés devront encore être entreposés en géologie permanente.

Conclusion

Les méthodes chimiques de captage du dioxyde de carbone provenant des émissions industrielles représentent une trousse d'outils en évolution et mûre, essentielle pour la décarbonisation profonde.De l'épuration des mines largement déployée aux procédés électrochimiques émergents, chaque technique équilibre l'efficacité, le coût et la complexité opérationnelle.Bien qu'aucune méthode ne soit une puce d'argent – les pénalités en matière d'énergie, la durabilité des matériaux et les coûts d'augmentation de l'échelle demeurent redoutables – la trajectoire de l'innovation offre des voies claires vers une capture d'énergie à moindre coût et à moindre coût.