Capture d’air directe
La capture directe de l’air ( DAC ) est un processus de capture du dioxyde de carbone (CO 2 ) directement de l’air ambiant (par opposition à la capture à partir de sources ponctuelles , telles qu’une cimenterie ou une centrale électrique à biomasse ) et de génération d’un flux concentré de CO 2 pour la séquestration ou l’utilisation ou la production de carburant neutre en carbone et de Gaz éolien . L’élimination du dioxyde de carbone est obtenue lorsque l’air ambiant entre en contact avec un milieu chimique, généralement un solvant Alcalin aqueux [1] ou des sorbants . [2] Ces milieux chimiques sont ensuite débarrassés du CO 2 par l’application d’énergie (à savoir la chaleur), ce qui donne un flux de CO 2 qui peut subir une déshydratation et une compression, tout en régénérant simultanément les milieux chimiques pour une réutilisation.
Organigramme du processus de captage direct de l’air utilisant de l’hydroxyde de sodium comme absorbant et incluant la régénération du solvant.
Le DAC a été suggéré en 1999 par Klaus S. Lackner et est toujours en développement, [3] [4] bien que plusieurs usines commerciales soient en fonctionnement ou en planification à travers l’Europe et les États-Unis. Le déploiement à grande échelle du DAC peut être accéléré lorsqu’il est lié à des cas d’utilisation économiques ou à des incitations politiques.
Le DAC n’est pas une alternative au captage et au stockage du carbone (CSC) traditionnel à source ponctuelle , mais peut être utilisé pour récupérer certaines émissions provenant de sources distribuées, telles que certains lancements de fusées. [5] Lorsqu’il est combiné avec le stockage à long terme du CO 2 , le DAC est connu sous le nom de capture et stockage directs du carbone dans l’air ( DACCS). Le DACCS peut agir comme un mécanisme d’ élimination du dioxyde de carbone , bien qu’en 2022 [mettre à jour], il ne soit pas encore rentable car le coût par tonne de dioxyde de carbone est plusieurs fois supérieur au prix du carbone .
Méthodes de capture
L’ Agence internationale de l’énergie a fait état d’une croissance de la capacité opérationnelle mondiale de captage direct de l’air . [6]
La plupart des techniques commerciales nécessitent de grands ventilateurs pour pousser l’air ambiant à travers un filtre. Plus récemment, la société irlandaise Carbon Collect Limited [7] a développé le MechanicalTreeTM qui se tient simplement dans le vent pour capturer le CO 2 . La société affirme que cette « capture passive » de CO 2 réduit considérablement le coût énergétique de la capture directe de l’air et que sa géométrie se prête à une mise à l’échelle pour la capture de gigatonnes de CO 2 .
La plupart des techniques commerciales utilisent un solvant liquide, généralement à base d’ amine ou caustique , qui absorbe le CO 2 d’un gaz. [8] Par exemple, un solvant caustique courant : l’hydroxyde de sodium réagit avec le CO 2 et précipite un carbonate de sodium stable . Ce carbonate est chauffé pour produire un flux de CO 2 gazeux très pur. [9] [10] L’hydroxyde de sodium peut être recyclé à partir du carbonate de sodium dans un processus de caustification . [11] Alternativement, le CO 2 se lie au sorbant solide dans le processus dechimisorption . [8] Grâce à la chaleur et au vide, le CO 2 est ensuite désorbé du solide. [10] [12]
Parmi les procédés chimiques spécifiques qui sont explorés, trois se distinguent : la caustification avec des hydroxydes alcalins et alcalino-terreux, la carbonatation , [13] et les sorbants hybrides organiques-inorganiques constitués d’amines supportées dans des Adsorbants poreux . [3]
Autres méthodes explorées
L’idée d’utiliser de nombreux petits épurateurs DAC dispersés – analogues à des plantes vivantes – pour créer une réduction significative des niveaux de CO 2 sur le plan environnemental , a valu à la technologie le nom d’ arbres artificiels dans les médias populaires. [14] [15]
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Absorbant d’oscillation d’humidité
Dans un procédé cyclique conçu en 2012 par le professeur Klaus Lackner , directeur du Centre des émissions négatives de carbone (CNCE), le CO 2 dilué peut être efficacement séparé à l’aide d’une résine polymère d’échange anionique appelée Marathon MSA, qui absorbe le CO 2 de l’air lorsqu’il est sec, et le libère lorsqu’il est exposé à l’humidité. Une grande partie de l’énergie nécessaire au procédé est fournie par la chaleur latente du changement de phase de l’eau. [16] La technologie nécessite des recherches supplémentaires pour déterminer son rapport coût-efficacité. [17] [18] [19]
Armatures organométalliques
D’autres substances qui peuvent être utilisées sont les cadres organométalliques (ou MOF). [20]
Membranes
La séparation membranaire du CO 2 repose sur des membranes semi-perméables. Cette méthode nécessite peu d’eau et a une empreinte plus faible. [8]
Impact environnemental
Les partisans du CAD soutiennent qu’il s’agit d’un élément essentiel de l’atténuation du changement climatique . [21] [12] [19] Les chercheurs postulent que le CAD pourrait aider à contribuer aux objectifs de l’ Accord de Paris sur le climat (à savoir limiter l’augmentation de la température moyenne mondiale bien en dessous de 2 °C au-dessus des niveaux préindustriels). Cependant, d’autres affirment que s’appuyer sur cette technologie est risqué et pourrait retarder la réduction des émissions sous l’idée qu’il sera possible de résoudre le problème plus tard, [4] [22] et suggèrent que la réduction des émissions peut être une meilleure solution. [9] [23]
Le DAC reposant sur l’absorption à base d’amine nécessite un apport d’eau important. On a estimé que pour capter 3,3 gigatonnes de CO 2 par an, il faudrait 300 km 3 d’eau, soit 4 % de l’eau utilisée pour l’irrigation . D’autre part, l’utilisation d’hydroxyde de sodium nécessite beaucoup moins d’eau, mais la substance elle-même est hautement caustique et dangereuse. [4]
Le DAC nécessite également un apport d’énergie beaucoup plus important par rapport au captage traditionnel à partir de sources ponctuelles, comme les gaz de combustion , en raison de la faible concentration de CO 2 . [9] [22] L’énergie minimale théorique nécessaire pour extraire le CO 2 de l’air ambiant est d’environ 250 kWh par tonne de CO 2 , tandis que le captage dans les centrales au gaz naturel et au charbon nécessite respectivement environ 100 et 65 kWh par tonne de CO 2 . [21] En raison de cette demande implicite d’énergie, certains promoteurs de la géo -ingénierie ont proposé d’utiliser des “petites centrales nucléaires” connectées aux installations DAC. [4]
Lorsque le DAC est combiné à un système de captage et de stockage du carbone (CSC) , il peut produire une usine à émissions négatives, mais cela nécessiterait une source d’électricité sans carbone . L’utilisation de toute électricité produite à partir de combustibles fossiles finirait par libérer plus de CO 2 dans l’atmosphère qu’elle n’en capterait. [22] De plus, l’utilisation du DAC pour la récupération assistée du pétrole annulerait tous les avantages supposés de l’atténuation du climat. [4] [10]
Applications
Les applications pratiques du DAC comprennent :
- récupération assistée du pétrole , [4]
- production de carburant synthétique neutre en carbone et de plastiques, [23] [12] [4]
- gazéification des boissons , [24]
- séquestration du carbone , [21]
- améliorer la résistance du béton, [24]
- créer une alternative au béton neutre en carbone, [24]
- améliorer la productivité des fermes d’algues, [25]
- enrichissement de l’air dans les serres [25]
Ces applications nécessitent différentes concentrations de produit CO 2 formé à partir du gaz capté. Les formes de séquestration du carbone comme le stockage géologique nécessitent des produits de CO 2 purs (concentration > 99 %), alors que d’autres applications comme l’agriculture peuvent fonctionner avec des produits plus dilués (~ 5 %). Étant donné que l’air traité par DAC contient à l’origine 0,04 % de CO 2 (ou 400 ppm), la création d’un produit pur nécessite plus d’énergie qu’un produit dilué et est donc généralement plus coûteuse. [16] [25]
Le DAC n’est pas une alternative au captage et au stockage du carbone (CSC) traditionnel à source ponctuelle, mais plutôt une technologie complémentaire qui pourrait être utilisée pour gérer les émissions de carbone provenant de sources distribuées, les émissions fugitives du réseau CSC et les fuites des formations géologiques. [21] [23] [9] Parce que le DAC peut être déployé loin de la source de pollution, le carburant synthétique produit avec cette méthode peut utiliser l’infrastructure de transport de carburant déjà existante. [24]
Coût
Bilan technico-économique des usines de captage direct du CO2 dans l’air [26]
L’un des plus grands obstacles à la mise en œuvre du DAC est le coût requis pour séparer le CO 2 et l’air. [25] Une étude de 2011 a estimé qu’une usine conçue pour capter 1 mégatonne de CO 2 par an coûterait 2,2 milliards de dollars. [9] D’autres études de la même période évaluent le coût du DAC à 200-1000 $ par tonne de CO 2 [21] et 600 $ par tonne. [9]
Une étude économique d’une usine pilote en Colombie-Britannique, au Canada , menée de 2015 à 2018, a estimé le coût entre 94 et 232 $ par tonne de CO 2 atmosphérique éliminé. [12] [1] Il convient de noter que l’étude a été réalisée par Carbon Engineering , qui a un intérêt financier dans la commercialisation de la technologie DAC. [1] [10]
Le déploiement à grande échelle des CAD peut être accéléré par des incitations politiques. [27]
Développement
Ingénierie Carbone
Il s’agit d’une société commerciale de DAC fondée en 2009 et soutenue, entre autres, par Bill Gates et Murray Edwards . [24] [23] Depuis 2018 [mettre à jour], ils exploitent une usine pilote en Colombie-Britannique, au Canada, qui est utilisée depuis 2015 [12] et est capable d’extraire environ une tonne de CO 2 par jour. [4] [23] Une étude économique de leur usine pilote menée de 2015 à 2018 a estimé le coût à 94-232 $ par tonne de CO 2 atmosphérique éliminé. [12] [1]
Tout en s’associant à la société énergétique californienne Greyrock, ils convertissent une partie de son CO 2 concentré en carburant synthétique , notamment de l’essence, du diesel et du carburéacteur. [12] [23]
L’entreprise utilise une solution d’hydroxyde de potassium . Il réagit avec le CO 2 pour former du carbonate de potassium , qui élimine une certaine quantité de CO 2 de l’air. [24]
Climeworks
Leur première usine DAC à l’échelle industrielle, qui a démarré ses activités en mai 2017 à Hinwil , dans le canton de Zurich, en Suisse, est capable de capturer 900 tonnes de CO 2 par an. Pour réduire ses besoins énergétiques, l’usine utilise la chaleur d’une usine locale d’incinération des déchets . Le CO 2 est utilisé pour augmenter les rendements de légumes dans une serre voisine. [28]
L’entreprise a déclaré qu’il en coûte environ 600 $ pour capter une tonne de CO 2 dans l’air. [29] [8]
Climeworks s’est associé à Reykjavik Energy dans le projet CarbFix lancé en 2007. En 2017, le projet CarbFix2 a été lancé [30] et a reçu un financement du programme de recherche Horizon 2020 de l’Union européenne . Le projet d’usine pilote CarbFix2 fonctionne à côté d’une centrale géothermique à Hellisheidi, en Islande . Dans cette approche, le CO 2 est injecté à 700 mètres sous le sol et se minéralise dans la roche basaltique formant des minéraux carbonatés. L’usine DAC utilise la chaleur résiduelle de faible qualité de l’usine, éliminant efficacement plus de CO 2 qu’elles n’en produisent toutes les deux. [4] [31]
Thermostat global
C’est une société privée fondée en 2010, située à Manhattan, New York , avec une usine à Huntsville, Alabama . [24] Global Thermostat utilise des sorbants à base d’amine liés à des éponges de carbone pour éliminer le CO 2 de l’atmosphère. L’entreprise a des projets allant de 40 à 50 000 tonnes/an. [32] [ vérification nécessaire ] [ source tierce nécessaire ]
L’entreprise prétend éliminer le CO 2 pour 120 $ la tonne à son usine de Huntsville. [24]
Global Thermostat a conclu des accords avec Coca-Cola (qui vise à utiliser le DAC pour s’approvisionner en CO 2 pour ses boissons gazeuses) et ExxonMobil qui a l’intention de lancer une activité DAC-to-fuel utilisant la technologie de Global Thermostat. [24]
Puissance solaire
Il s’agit d’une startup fondée en 2016, située à Lappeenranta , en Finlande , opérant dans les domaines du DAC et du Power-to-X . La startup est principalement soutenue par le groupe technologique finlandais Wärtsilä . Selon Soletair Power , leur technologie est la première au monde à combiner DAC avec intégration bâtiment. Il absorbe le CO 2 des unités de ventilation à l’intérieur des bâtiments et le capture pour améliorer la qualité de l’air. Plutôt que de simplement réduire les émissions de carbone, ils se concentrent sur le fait que le DAC peut améliorer la fonction cognitive des employés de 20 % par 400 ppm de CO 2 intérieur éliminé, selon une étude de Harvard. [33]
L’entreprise utilise le CO 2 capté pour créer du carburant synthétique renouvelable et comme matière première pour des applications industrielles. En 2020, Wärtsilä , en collaboration avec Soletair Power et Q Power, a créé sa première unité de démonstration de Power-to-X [34] pour l’Expo de Dubaï 2020 , qui peut produire du méthane synthétique à partir du CO 2 capté des bâtiments.
Carburants Prometheus
Est une start-up basée à Santa Cruz qui s’est lancée à partir de Y Combinator en 2019 pour éliminer le CO2 de l’air et le transformer en essence et en carburéacteur à zéro carbone net. [35] [36] La société utilise une technologie DAC, adsorbant le CO 2 de l’air directement dans les électrolytes du procédé, où il est converti en alcools par électrocatalyse . Les alcools sont ensuite séparés des électrolytes à l’aide de membranes de nanotubes de carbone , et valorisés en essence et carburéacteurs. Étant donné que le processus utilise uniquement de l’électricité provenant de sources renouvelables , les carburants sont neutres en carbone lorsqu’ils sont utilisés, n’émettant aucun CO 2 net.à l’atmosphère.
Les autres entreprises
- Infinitree – anciennement connu sous le nom de Kilimanjaro Energy et Global Research Technology. Fait partie de la société américaine Carbon Sink. Démonstration d’un pré-prototype de technologie DAC économiquement viable en 2007 [10] [37]
- Skytree – une entreprise des Pays-Bas [31]
- Centre de recherche britannique sur la capture et le stockage du carbone [23]
- Centre pour les émissions négatives de carbone de l’Université d’ État de l’Arizona [38]
- Carbyon – une start-up à Eindhoven, aux Pays-Bas [39]
- TerraFixing – Une startup à Ottawa, Canada [40]
- CarbFix – une filiale de Reykjavik Energy , Islande [41]
- Energy Impact Center – un institut de recherche qui préconise l’utilisation de l’énergie nucléaire pour alimenter les technologies de capture directe de l’air. [42]
Voir également
- Photosynthèse artificielle
- Élimination du dioxyde de carbone
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