Des ingénieurs de l’Université Rice ont mis au point une nouvelle technologie qui pourrait réduire les coûts de capture du CO2 (dioxyde de carbone) dans tous types d’émissions. Cette avancée pourrait se révéler déterminante pour les industries souhaitant se conformer aux normes changeantes sur les gaz à effet de serre, mais aussi pour l’émergence d’une économie axée sur la transition énergétique.
Selon une étude publiée dans la revue Nature (« Capture continue de carbone dans un réacteur électrochimique à électrolyte solide »), le système développé par le laboratoire de l’ingénieur chimique et biomoléculaire Haotian Wang est capable d’éliminer directement le CO2 provenant de différentes sources – allant des gaz de combustion à l’atmosphère – grâce à une réaction électrochimique à base d’eau et d’oxygène.
Cette prouesse technologique pourrait faire de la capture directe de l’air, un secteur encore marginal (18 usines en activité dans le monde), un champ prometteur pour l’atténuation du changement climatique.
Innovation technologique : un procédé en une seule étape
Les systèmes actuels de capture du carbone nécessitent généralement un processus en deux étapes : dans un premier temps, des liquides à pH élevé servent à séparer le CO2 – qui est acide – des flux de gaz mélangés tels que les gaz de combustion. Ensuite, le CO2 est régénéré à partir de la solution par chauffage ou par injection d’un liquide à faible pH.
« Dès que le dioxyde de carbone est piégé dans ces solvants, il faut le régénérer« , a expliqué H. Wang. « Les méthodes traditionnelles de lavage à l’amine nécessitent des températures de 100 à 200 degrés Celsius. Pour les processus à base de carbonate de calcium, il faut atteindre des températures jusqu’à 900 Celsius.«
« Aucun produit chimique n’est produit ou consommé avec notre processus. De plus, nous n’avons pas besoin de chauffer ou de mettre sous pression notre dispositif, il suffit de le brancher sur une prise de courant et il fonctionne. »
Un dispositif modulaire et ajustable
Un autre inconvénient des technologies actuelles de capture du carbone est leur dépendance à une infrastructure centralisée et de grande échelle. À l’opposé, le système développé dans le laboratoire de H. Wang est un concept modulaire qui peut être adapté à une variété de scénarios.
« La technologie peut être mise à l’échelle dans des contextes industriels – centrales électriques, usines chimiques – mais elle permet également une utilisation à petite échelle : je pourrais même l’utiliser dans mon bureau« , a déclaré H. Wang. « Nous pourrions, par exemple, capter le dioxyde de carbone de l’atmosphère et injecter continuellement ce gaz concentré dans une serre pour stimuler la croissance des plantes. Nous avons été contactés par des entreprises de technologie spatiale intéressées par l’utilisation de ce dispositif dans les stations spatiales pour éliminer le dioxyde de carbone expiré par les astronautes.«
Un réacteur efficace et économe en énergie
Le réacteur mis au point par H. Wang et son équipe peut éliminer en continu le dioxyde de carbone d’un gaz de combustion simulé avec une efficacité supérieure à 98%, en utilisant une quantité d’électricité relativement faible. « L’électricité utilisée pour alimenter une ampoule de 50 watts pendant une heure permet de produire 10 à 25 litres de dioxyde de carbone de haute pureté« , a ajouté Peng Zhu, étudiant en ingénierie chimique et biomoléculaire et principal auteur de l’étude.
H. Wang a souligné que le processus n’a « aucune empreinte carbone ou une empreinte très limitée » s’il est alimenté par de l’électricité issue de sources renouvelables comme le solaire ou l’éolien.
« C’est une excellente nouvelle lorsque l’on sait que l’électricité renouvelable est de plus en plus rentable« , a encore indiqué H. Wang.
Le fonctionnement du réacteur
Le réacteur est composé d’une cathode conçue pour réaliser une réduction de l’oxygène, d’une anode réalisant une réaction d’évolution de l’oxygène et d’une couche d’électrolyte solide compacte mais poreuse qui permet une conduction ionique efficace. Une version précédente du réacteur a été utilisée pour réduire le dioxyde de carbone en carburants liquides purs et pour réduire l’oxygène en solutions de peroxyde d’hydrogène pur.
« Jusqu’à présent, notre groupe s’est surtout concentré sur l’utilisation du dioxyde de carbone« , a précisé P. Zhu. « Nous avons travaillé sur la production de produits liquides purs comme l’acide acétique, l’acide formique, etc. »
Les deux chercheurs ont observé lors du processus de recherche que des bulles de gaz sortaient de la chambre centrale du réacteur en même temps que les liquides.
« Au début, nous n’avons pas accordé beaucoup d’attention à ce phénomène« , a déclaré H. Wang. « Cependant, Peng a remarqué que si nous appliquions plus de courant, il y avait plus de bulles. C’est une corrélation directe, ce qui signifie qu’il se passe quelque chose de non aléatoire.«
Les chercheurs ont réalisé que l’interface alcaline générée lors des réactions de réduction du côté de la cathode du réacteur interagissait avec les molécules de dioxyde de carbone pour former des ions carbonate. Ces ions migrent dans la couche d’électrolyte solide du réacteur où ils se combinent avec des protons résultant de l’oxydation de l’eau du côté de l’anode, formant un flux continu de dioxyde de carbone de haute pureté.
« Nous avons découvert ce phénomène par hasard lors de nos précédentes études« , a conclu H. Wang. « Nous avons ensuite adapté et optimisé la technologie pour ce nouveau projet et cette nouvelle application. Nous avons passé des années de travail continu sur ce type de dispositif électrochimique.«
Légende illustration principale : Le réacteur se compose d’une cathode destinée à la réduction de l’oxygène, d’une anode destinée à la réaction d’évolution de l’oxygène et d’une couche d’électrolyte solide compacte mais poreuse qui permet une conduction efficace des ions. (Photo de Jeff Fitlow/Université de Rice)
