Les percées récentes dans la technologie de captage cryogénique du carbone transforment la façon dont les industries séparent et liquéfient le dioxyde de carbone (CO[2 des flux d'échappement. En tirant parti du CO[2 plutôt que d'utiliser des solvants chimiques, ces méthodes offrent une voie vers le CO liquide très pur2 qui peut être stocké ou utilisé.

Qu'est-ce que la capture de carbone cryogénique?

La capture cryogénique du carbone (CCC) fait référence à un ensemble de procédés qui refroidissent les gaz de combustion à de très basses températures, généralement inférieures à 100 °C, pour condenser ou congeler sélectivement le CO[2 tout en laissant d'autres gaz comme l'azote, l'oxygène et l'argon en phase vapeur. Le principe fondamental repose sur les différences dans les points d'ébullition et de sublimation des composants du mélange de gaz. À la pression atmosphérique, le CO2 passe directement du gaz au solide (desublimates) à environ 78,5 °C, ou se condense à un liquide à des pressions plus élevées et à des températures légèrement plus chaudes.

Contrairement au nettoyage classique à base d'amines, qui repose sur des réactions chimiques et nécessite une vapeur importante pour la régénération des solvants, les méthodes cryogéniques évitent les consommables chimiques et ne génèrent aucun déchet de solvant.Le CO[2 capturé est déjà en phase liquide ou dense, le rendant prêt pour le transport de pipelines ou l'injection dans le stockage géologique sans autres étapes de compression ou de liquéfaction.

Comment fonctionne la capture cryogénique en pratique

Le gaz de combustion est prétraité pour éliminer la vapeur d'eau, les particules et les contaminants traces qui pourraient geler ou fausser les surfaces de l'échangeur de chaleur. Le gaz sec entre alors dans un système de réfrigération à plusieurs étages. Dans un modèle commun, le gaz est refroidi par une série d'échangeurs de chaleur, à l'aide de flux de recyclage à froid et de cycles de réfrigération externes. Lorsque la température atteint le point de rosée CO[2 sous la pression du système, le CO[2 commence à se condenser ou à se désublimer sur des surfaces froides ou dans des chambres de séparation spécialement conçues. Le CO2 solide ou liquide est ensuite recueilli, fondu au besoin, et stocké ou utilisé. Le gaz restant nettoyé (principalement de l'azote) est réchauffé et rejeté dans l'atmosphère, souvent avec un contenu beaucoup réduit en CO2.

L'une des configurations les plus étudiées est le procédé de captage du carbone anti-sublimation, développé par des chercheurs de l'Université de Californie, Irvine, entre autres. Dans cette approche, le CO[2 est gelé sur une surface froide à l'intérieur d'un désublimateur, tandis que les gaz non condensables sont évacués. Périodiquement, le désublimateur est isolé, chauffé et le CO[2 solide est fondu et pompé comme liquide.

Progrès technologiques récents

Au cours de la dernière décennie, le captage cryogénique du carbone est passé d'expériences de laboratoire à des démonstrations à l'échelle pilote, grâce à une série d'améliorations matérielles, d'intégration des processus et de contrôle.

Techniques améliorées de refroidissement

Les cycles de compression par vapeur traditionnels utilisant des compresseurs à un étage nécessitent une grande quantité d'énergie électrique pour produire la puissance de refroidissement requise. Les innovations récentes ont introduit des compresseurs à plusieurs étages, intercoolisés, avec des algorithmes de contrôle avancés qui réduisent la consommation d'énergie tout en maintenant des températures stables. Par exemple, des chercheurs de l'Université norvégienne des sciences et de la technologie ont démontré un cycle de réfrigération en cascade qui utilise le CO[2 comme fluide de travail au stade de haute température et un mélange de réfrigérant (mélange d'azote-méthane) au stade de basse température. Cette combinaison permet d'atteindre un coefficient de performance (COP) de près de 30 % supérieur à celui des modèles monoréfrigérants classiques.

Une autre direction prometteuse est l'intégration de dispositifs de refroidissement à l'état solide tels que les refroidisseurs thermoélectriques (TEC) et les matériaux élastocaloriques. Bien qu'ils en soient encore à un stade précoce de la recherche, ces technologies pourraient remplacer un jour les compresseurs mécaniques en bloc, offrant un fonctionnement silencieux et sans vibrations avec des facteurs de forme compacts et évolutives.

Amélioration des conceptions des échangeurs de chaleur

Les performances des échangeurs de chaleur sont essentielles dans les processus cryogéniques, car la différence de température entre le gaz de combustion chaud et le réfrigérant à froid est généralement faible, souvent inférieure à 5 °C. Par conséquent, toute amélioration du coefficient de transfert de chaleur réduit directement la surface requise et, par conséquent, le coût en capital. Les développements récents des échangeurs de chaleur de circuits imprimés (PCHE) ont été particulièrement importants. Les PCHE sont construits par gravure chimique des microcanaux dans des plaques métalliques et ensuite par collage de diffusion dans un bloc monolithique.

Dans un projet pilote mené en 2022 dans une cimenterie en Norvège, une unité cryogénique basée sur la technologie Meggitt a obtenu un rendement global de récupération de la chaleur de 95 %, réduisant la demande d'énergie de réfrigération de près de 40 % par rapport aux précédentes conceptions de coquilles et tubes. Une autre innovation est l'utilisation d'échangeurs de chaleur compacts fabriqués additivement (3D imprimés) qui permettent des géométries internes complexes — canaux de refroidissement conformaux, nageoires de broche et structures de réseau — qui améliorent encore le transfert de chaleur.

Intégration avec les énergies renouvelables

Pour y remédier, plusieurs projets ont démontré la faisabilité d'un couplage direct des centrales CCC avec des centrales photovoltaïques solaires (PV) ou des parcs éoliens. Dans une démonstration historique dans une centrale au charbon au Colorado, une unité de captage cryogénique de 10 tonnes par jour a été entièrement alimentée par un parc éolien de 5 MW. La logique de contrôle du système a été programmée pour augmenter le refroidissement pendant les périodes de production d'énergie éolienne élevée et pour réduire le taux de captage lorsque l'énergie éolienne était faible, en utilisant efficacement le processus de captage comme charge contrôlable pour soutenir la stabilité du réseau. La perte d'énergie parasitaire globale (pénalité énergétique) a été réduite à 18 % de la production de l'installation, ce qui représente une amélioration significative par rapport à la pénalité de 25-30 % typique des systèmes à base d'amine fonctionnant sur l'énergie du réseau.

Une autre approche consiste à utiliser l'électricité renouvelable excédentaire pour produire de l'air liquide ou de l'azote liquide pendant les heures creuses, ce qui sert alors de puits à froid pour le processus de captage, au besoin.Les chercheurs de l'Université de Birmingham ont proposé un système de « stockage d'énergie cryogène » qui stocke l'énergie froide dans l'air liquide pendant la nuit et le libère dans des gaz de combustion refroidis pendant la journée, lissant ainsi la nature variable de l'énergie solaire.

Systèmes modulaires et à skis

L'un des progrès les plus pratiques pour un déploiement généralisé est le développement d'unités de capture cryogénique modulaires et conteneurisées. Ces systèmes « plug-and-play » peuvent être livrés sur un camion plat standard, connecté au conduit de gaz de combustion et d'alimentation en courant, et mis en service en quelques semaines. Les startups comme Skyonic (maintenant partie de Carbonfree Chemicals), Aether Energy et CryoCapture ont lancé des conceptions modulaires qui captent 1 à 50 tonnes de CO[2 par jour par module.

Un excellent exemple est le système «Carbon Harvester» de la société suisse Climeworks, qui, bien que principalement connu pour la capture directe d'air, a adapté son architecture modulaire pour les flux de gaz de combustion industriels. Dans une installation de 2024 dans une usine de déchets à énergie en Allemagne, quatre modules de conteneurs de 20 pieds capturaient 200 tonnes de CO[2 annuellement avec une empreinte totale inférieure à 100 mètres carrés. L'approche modulaire facilite également les économies d'échelle: à mesure que la demande augmente, les opérateurs ajoutent simplement plus de modules plutôt que de construire une seule et même très grande usine.

Avantages des méthodes cryogéniques modernes

Les progrès technologiques décrits ci-dessus se traduisent par plusieurs avantages concrets qui rendent le CCC de plus en plus concurrentiel par rapport à d'autres technologies de capture.

Haute efficacité de capture et pureté

Les systèmes cryogéniques modernes permettent d'obtenir systématiquement du CO[2 des taux de capture supérieurs à 95 % à ceux des gaz de combustion contenant 5 à 15 % de CO2[ en volume. Le CO2 capturé est généralement plus de 99,5 % de pur, la principale impureté étant l'humidité résiduelle ou les gaz atmosphériques traces. Cette pureté élevée est essentielle pour des applications telles que la récupération accrue d'huile (EOR), la carbonation des aliments et des boissons et la synthèse de combustibles ou de produits chimiques synthétiques.

Consommation d'énergie inférieure

Grâce aux compresseurs avancés, aux PCHEs et à l'intégration des procédés, la consommation d'énergie spécifique de capture cryogénique est tombée en dessous de 1,5 GJ par tonne de CO2 capturée dans les installations pilotes les plus performantes. Ceci est comparable à la pression du pipeline (environ 100 bar) et dans certains cas inférieur à la valeur de 1,6–1,8 GJ/tonne typique des systèmes d'amine modernes.

Réduction des coûts d'exploitation

Comme les procédés cryogéniques n'utilisent pas de solvants chimiques, les coûts d'exploitation sont en grande partie limités à l'électricité pour la réfrigération et l'entretien occasionnel de l'équipement rotatif. Il n'est pas nécessaire d'acheter des amines, de gérer la dégradation des solvants ou de traiter les flux de déchets de solvants.Cela réduit les coûts d'exploitation variables d'environ 30 à 50 % par tonne de CO[2 capturés, selon une analyse des coûts de 2024 par l'Institut mondial de la SCC.

Flexibilité opérationnelle et scalabilité

Les systèmes cryogéniques modulaires peuvent être mis en marche et arrêtés plus rapidement que les installations d'amines, qui nécessitent des heures pour atteindre l'équilibre thermique et la charge de solvants. Cela rend le CCC bien adapté aux processus industriels à taux d'émission variables ou pour capturer du CO[2 provenant de sources d'énergie intermittentes comme les réseaux à sources renouvelables. La modularité simplifie également l'échelle : une usine pilote captant 1 tonne par jour peut être reproduite à 100 tonnes par jour en ajoutant des modules identiques.

Empreinte environnementale

Au-delà de la réduction directe des émissions de CO[2[], la capture cryogénique ne génère pas de composés organiques volatils (COV), pas d'aérosols de solvant et pas d'eaux usées. Le seul sous-produit est le gaz sec et propre (principalement de l'azote) qui peut être évacué en toute sécurité. Si l'on utilise de l'électricité renouvelable, le processus de capture lui-même devient carbon négatif sur son cycle de vie.

Orientations futures et recherche continue

Bien que l'état actuel du captage cryogénique du carbone soit impressionnant, les chercheurs du monde entier poursuivent de multiples pistes pour pousser encore plus loin la performance. Les domaines d'intérêt comprennent les nouveaux matériaux, l'hybridation avec d'autres méthodes de captage et de nouvelles applications pour le CO2 capturé.

Nouveaux matériaux pour échangeurs de chaleur et surfaces de séparation

Dans les échangeurs thermiques conventionnels, la désublimation peut entraîner une accumulation inégale de gel, ce qui réduit le transfert de chaleur et nécessite des cycles de dégivrage périodiques. Une équipe du MIT a mis au point un revêtement en oxyde de graphine qui favorise un gel uniforme et à couche mince du CO[2, augmentant le coefficient de transfert de chaleur efficace de 80% et réduisant la fréquence de dégivrage. De même, des chercheurs de l'Université de Tokyo étudient les surfaces superhydrophobes avec des rainures micro- et nanométriques qui favorisent la condensation par goutte du CO liquide2, ce qui améliore le transfert de chaleur et réduit la différence de température requise.

Systèmes hybrides de cryogéno-solvant

L'idée est d'utiliser le refroidissement cryogénique pour enlever la majeure partie du CO2 (d'après 80-90%) à faible coût, puis de passer le gaz restant par une unité de captage conventionnelle plus petite qui traite le CO résiduel2. Parce que l'étape cryogénique réduit le volume de gaz et la concentration de CO[2 entrant dans la deuxième étape, le système de solvant ou de membrane peut être considérablement réduit. Une analyse technico-économique de l'Université de Cambridge en 2024 a révélé qu'une telle approche hybride pourrait réduire le coût total de capture de 25 % par rapport à l'utilisation d'une seule méthode d'extraction ou de seulement une méthode cryogénique, tout en atteignant 99 % de l'efficacité globale de capture.

Intégration avec l'utilisation du carbone et les carburants E

La pureté et la disponibilité à la pression du pipeline éliminent la nécessité d'une compression et d'une purification supplémentaires nécessaires pour le CO[2 à partir d'autres procédés de captage. Plusieurs projets pilotes sont maintenant en train de combiner la capture cryogénique avec des réacteurs d'électrolyse et de catalyseur pour produire des combustibles neutres en carbone. Par exemple, le projet «Cryo2Fuel» en Finlande combine une unité de capture cryogénique dans une usine de pâte à papier avec un électrolycateur à membrane échangeuse de protons et un réacteur Fischer-Tropsch pour produire du diesel synthétique.

Rôle élargi dans la capture aérienne directe

Bien que l'accent soit mis sur la capture industrielle de gaz de combustion, les techniques cryogéniques sont également adaptées pour la capture directe d'air (DAC). Le défi est la très faible concentration de CO2 dans l'air ambiant (environ 0,04%), ce qui rend le refroidissement au point de condensation très intensif en énergie. Cependant, les chercheurs de Carbon Engineering et de l'Université de Calgary étudient des cycles cryogéniques de DAC « à oscillation de température » qui utilisent l'adsorption sur une surface froide suivie d'une régénération thermique. En absorbant d'abord le CO2 sur un cryosorbant poreux à −40 °C et en le libérant sous chauffage léger, la pénalité énergétique peut être réduite à moins de 200 kWh par tonne de CO2. Bien qu'elle soit encore plus élevée que pour la capture industrielle, cette approche pourrait rendre le DAC cryogénique économiquement viable à long terme si elle est intégrée à une énergie renouvelable abondante.

Conclusion

Les progrès réalisés dans les cycles de compresseur, les échangeurs de chaleur compacts, l'appariement des énergies renouvelables et la conception modulaire ont permis de réduire collectivement la pénalité énergétique et le coût en capital pour atteindre des niveaux compétitifs par rapport au lavage classique des amines. Le produit liquide CO[2 est bien adapté au stockage, à la récupération accrue du pétrole et à la production de carburants électroniques.

Pour les décideurs et les dirigeants de l'industrie, le message est clair : le captage cryogénique du carbone est prêt pour le déploiement aujourd'hui, avec des performances démontrées dans de nombreux secteurs, y compris la production d'électricité, le ciment, l'acier et les déchets vers l'énergie.En intégrant ces technologies dans les stratégies climatiques nationales et en soutenant de nouvelles démonstrations pilotes, les pays peuvent accélérer la voie vers des émissions nettes nulles.

Références externes:[ US Department of Energy – Cryogenic Carbon Capture Overview[ .Global CCS Institute – Cost Analysis of Carbon Capture Technologies (2024)[ .Agence internationale de l'énergie – CCUS dans les transitions énergétiques propres .Nature Energy – Advances in Cryogenic CO2 Capture (2023 Review)[ .CryoCapture – Modular CCC System Provider[