Contacter l'auteur / Contact the author

Recherche dans ce site / Search in this site

 

Recyclage et transformation du CO2

Recyclage du gaz carbonique.

Projets pour un air pur

Les organismes photosynthétiques - plantes et phytoplancton - sont capables de s'adapter à l'augmentation du dioxyde de carbone dans leur environnement. On a même récemment découvert que les plantes pouvaient suivre son évolution en augmentant leur production d'oxygène comme le confirme une étude publiée par l'équipe de Lucas A.Cernusak de l'Université James Cook dans la revue "Trends in Plant Science" en 2019 (cf. ce graphique). Mais cela ne veut pas dire que cette production primaire d'oxygène neutralise les émissions de gaz carbonique et leurs effets négatifs (déréglement climatique, sécheresse, canicules, etc), au contraire. Tous les jours nous consommons des combustibles fossiles pour alimenter les véhicules, les transports en communs, les usines et les villes. Du fait que les énergies alternatives sont encore très chères, nous continuons à émettre du gaz carbonique dans l'atmosphère qui atteint aujourd'hui des niveaux records, avec plus de 415 ppm en 2019.

Si nous voulons réduire les émissions de gaz carbonique d'origine anthropique et en même temps réduire l'effet de serre, il n'existe que deux solutions : arrêter de consommer des combustibles et autres produits sources de CO2 ou trouver une solution pour éliminer ce gaz polluant.

Etant donné qu'il est impossible de supprimer les émissions de CO2 sans bloquer l'économie mondiale et sachant qu'il faut plusieurs générations et même davantage pour transformer les fondements technologiques d'une société, il est plus rapide d'inventer des technologies tirant profit du gaz carbonique et capables par exemple de le recycler ou le transformer en matière utile ou en produit non polluant.

Plusieurs méthodes existent, transformant par exemple le CO2 en plastique, en mousse, en combustible, en encre, en nourriture pour les animaux et même en diamant. Mais il ne faut pas confondre ces techniques avec la séquestration du gaz carbonique qui consiste à le stocker à très long terme dans des pièges naturels ni avec la purification du gaz carbonique qui vise uniquement à le rendre non toxique[1]. Mais jusqu'à présent, les procédés de transformation coûtaient trop chers pour être rentables et très peu sont exempts d'effets de bord. Certaines parmi ces technologies sont néanmoins efficaces et méritent d'être brièvement décrites à l'intention des chercheurs et des industriels. Nous complèterons cet article à mesure que de nouveaux projets réalistes, performants et rentables seront présentés (en 5 ans, cet article a déjà quadruplé de taille).

Absorber le CO2 de l'atmosphère

Puisque nous émettons du gaz carbonique, pourrions-nous l'extraire de l'atmosphère et le recycler ? Oui, c'est tout à fait possible ! Des études ont déjà montré qu'on pouvait capturer le carbone contenu dans l'air - ce qu'on appelle une capture directe de l'air - mais jusqu'à présent le processus était trop coûteux, l'élimination du CO2 revenant à 600$ la tonne. Si on pouvait réduire ce prix en-dessous de 100$ la tonne, cela deviendrait rentable.

Dans une étude publiée dans la revue "Joule" en 2018, l'entreprise canadienne Carbon Engineering a montre qu’elle peut capturer une tonne de CO2 par jour au prix de 94 à 232$ la tonne selon les coûts énergétiques et l'usage final du CO2.

Le système de ventilateurs capturant le gaz carbonique de l'atmosphère mis au point par Carbon Engineering. Prix : 94 à 232$ la tonne.

Selon David Keith, fondateur de Carbon Engineering, "c'est différent de la capture de CO2 à partir d'une centrale électrique. Nous capturons directement le CO2 de l'atmosphère. Le but de le capturer dans l'air est que vous pouvez produire des carburants à faible teneur en carbone à partir d'énergie renouvelable."

Le procédé développé par Carbon Engineering fonctionne en deux étapes. L’air passe d'abord à travers des contacteurs contenant un hydroxyde de potassium aqueux. Lorsque le CO2 est capturé, il forme du carbonate de potassium qui est envoyé dans un réacteur à lit fluidisé où il réagit avec l'hydroxyde de calcium. L'hydroxyde de potassium résultant est ensuite renvoyé aux contacteurs et les pastilles solides de carbonate de calcium sont transférées dans un calcinateur et chauffées à 900°C pour libérer le CO2. La chaux résiduelle est hydratée et renvoyée dans le réacteur à lit.

A terme Keith espère capturer 1 million de tonnes de CO2 par an. C'est l'équivalent de la quantité de CO2 émise chaque année par 200000 véhicules.

Cette nouvelle méthode est une percée majeure démontrant que la technologie de captage direct de l'air peut être économiquement rentable et fournir un moyen alternatif de générer des carburants à faible teneur en carbone pouvant être intégrés aux infrastructures existantes. C'est important car le prix de l'énergie solaire et éolienne continuent de baisser, alimentant même des villes entières, mais Keith affirme que "cela ne nous permet pas de faire voler des avions et de conduire des camions". En combinant les sources d'énergie renouvelables existantes avec le système de captage direct de l'air, Carbon Engineering peut générer un carburant essentiellement neutre en carbone et abordable. Selon Keith, "vous pouvez fabriquer de l'essence ou du diesel [via une capture d'air directe] mais, bien sûr, ils ne sont pas issus du sol, donc la quantité de carbone qu'ils émettent lorsqu'ils brûlent correspond à la quantité que vous avez utilisée, c'est donc neutre en carbone."

Le processus de capture et de transformation est relativement simple bien que Carbon Engineering travaille sur ce projet depuis 2015 dans une usine pilote située à Squamish, en Colombie Britannique. Cette centrale utilise l'énergie hydraulique pour extraire le CO2 de l'air. Le carburant synthétique résultant de cette transformation pourrait concurrencer les combustibles fossiles traditionnels. En 2018, Carbon Engineering annonça qu'il investissait 11 millions de dollars pour commercialiser sa technologie. L'entreprise envisage de produire 2000 barils de carburant par jour et capturer 300000 tonnes de CO2 par an pour un investissement d'environ 300 millions de dollars. Avis aux intéressés.

Ayant fourni le "proof of concept" et démontré l'évolutivité et le caractère abordable d'un tel système, Keith est optimiste quant à l'avenir de cette technologie car il existe des marchés pour ce type de carburant à très faible teneur en carbone, notamment en Californie et au Canada où il existe déjà une norme de faible teneur en carbone. En Europe, en 2014 la Commission européenne a également adopté une proposition visant à réduire la teneur en carbone des carburants destinés aux transports (les fournisseurs doivent réduire le carbone de 6% d'ici 2020). Toutefois, si ces normes existent, elles ne récompensent que timidement les entrepreneurs développant des carburants à faible teneur en carbone. Mais il faut un début à tout et même David Keith est conscient que sa technologie est perfectible et il compte bien l'améliorer quitte à proposer une technologie encore plus "folle".

Deux autres sociétés travaillent sur des projets similaires mais sur base de processus différents : Global Thermostat fondée en 2006 et installée à New York et Climeworks fondée en 2009 et installée en Suisse.

Depuis 2010, Global Thermostat traite 1000 tonnes de CO2 par an pour un coût qui devrait bientôt atteindre 100$ la tonne dans son usine installée à Huntsville en Alabama. Selon son cofondateur Peter Eisenberger, si l'entreprise n'utilisait pas d'eau chaude, la capture du CO2 reviendrait à 75$ la tonne. Eisenberger envisage d'atteindre un prix de 50$ la tonne d'ici quelques années.

A l'heure actuelle (2018), Climeworks est la seule entreprise disposant d'une usine commerciale opérationnelle. Sa capacité de traitement est de 50 tonnes de CO2 par an qu'elle transforme en carburant synthétique pour le constructeur Audi à des fins de R&D et de démonstration.

Climeworks fournit également du CO2 à l'Islande sous la forme de Carbfix. Le projet financé par l'Union européenne permet de séquestrer le CO2 concentré dans des formations géologiques basaltiques très stables. Le produit réagit avec la roche pour former du calcite, réduisant la quantité de carbone présente dans l'air (on parle de carbone négatif). Climeworks fournit également du Carbfix pour les besoins en énergie hydroélectrique de la Norvège qui peut ainsi produire environ 56000 barils de carburants synthétiques par an.

Soulignons que Climeworks, Global Thermostat et Carbon Engineering sont tous finalistes pour le "Virgin Earth Challenge", un prix de 25 millions de dollars offert par le milliardaire britannique Richard Branson à la première entreprise capable de démontrer pendant 10 ans une méthode économiquement viable de capture directe de l'air et d'élimination permanente du CO2.

Transformer le CO2 en polymères

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2019, l'équipe de Susumu Kitagawa de l'Université de Kyoto proposa une nouvelle solution pour convertir le dioxyde de carbonique en matière utile. Les chercheurs ont développé un polymère organique poreux (PCP ou Porous Coordination Polymer) ayant des affinités pour le CO2 qui permet de le convertir en matière première utile à l'industrie.

A gauche, analyse des structures cristallines PCP aux rayons X. Dans le schéma de gauche (Zn-DPA-2H2O), les molécules d'eau sont omises pour plus de clarté. A droite, synthèse des carbonates cycliques utiles aux industries pétrochimique et pharmaceutique à partir d'époxydes et de gaz carbonique. Documents S.Kitagawa al. (2019) et M.North et al. (2010).

Comme le montre le schéma ci-dessus à gauche, les PCP également appelés MOFs (Metal Organic Framework) fonctionnent comme des tamis moléculaires. Ils sont capables de trier les molécules de manière sélective selon leur forme et leur taille grâce à leur structure hélicoïdale. Le PCP est fabriqué à partir d'ions métalliques de zinc et d'un composant organique en forme d’hélice. C'est précisément cette hélice qui est la clé du brevet car la structure pivote en présence de CO2 afin de piéger la molécule.

Selon les chercheurs, ce modèle de PCP capture le CO2 dix fois plus efficacement que les autres PCP. Lorsque le CO2 est capturé, il peut être utilisé pour fabriquer des polymères organiques qui peuvent ensuite être transformés en polyuréthane, une matière première qu'on retrouve dans quantités d'objets, des appareils ménagers aux isolants en passant par les vêtements. Il peut aussi être recyclé en carbonates cycliques (cf. M.North et al., 2010), un matériau synthétique utilisé dans les industries pétrochimiques et pharmaceutique.

Dépolluer l'air grâce à des micro-algues

Une colonne de Morris anti-pollution. Source Suez.

La société française de biotechnologie Fermentalg fondée en 2009 constata que sous l'effet de la lumière, les micro-algues capturent le gaz carbonique et le transforment en oxygène par photosynthèse comme le font les plantes. A la différence qu'elles en absorbent une bien plus grande quantité. En collaboration avec Suez, l'entreprise a donc décidé de produire des protéines, des huiles riches en acides gras (oméga 3) et des pigments naturels (phycocyanine, astaxanthine) grâce à ces micro-algues cultivées dans un bioréacteur.

Fermentalg possède une collection de 2500 souches de micro-algues dont certaines sont plus efficaces (opérantes) que d'autres selon la fonction visée. Les plus utilisées appartiennent à la famille des Chlorelles. Ce sont des micro-algues unicellulaires d'eau douce contenant une forte concentration de chlorophylle et dont le rythme de croissance est très rapide, produisant une importante biomasse. De plus, ces chlorelles sont riches en oméga 6 (acides linoléique et linolénique), en vitamines (A, C, B5, B2, B12, acide folique) et en protéines et constituent à ce titre des compléments alimentaires et des produits cosmétiques très appréciés.

Fermentalg a choisi d'incorporer ces micro-algues dans du mobilier urbain comme la colonne de Morris présentée ci-joint généralement utilisée comme support publicitaire. Cette fois, elle constitue un puis de carbone servant à dépolluer les villes en commençant par Paris. Le projet fut présenté lors de la COP21 en 2015.

Selon Jérôme Arnaudis de Suez France, "nous avons signé des accords d’expérimentation avec la ville de Paris, pour une application urbaine et avec le Syndicat interdépartemental pour l’assainissement de l’agglomération parisienne (SIAAP) pour une autre application, sur un incinérateur situé à Colombes (92). Les équipes scientifiques du SIAAP ont d’ailleurs activement participé à la conduite de ce projet par la mise en œuvre d’expérimentations au sein de leur centre de recherche (Colombes). Cette seconde expérimentation intéresse particulièrement les activités industrielles émettrices de CO2, comme les incinérateurs, et plus largement tout procédé de combustion générant des fumées concentrées en CO2 (de l’ordre de 10%)."

Selon les communiqués de presse de Fermentalg, le puits de carbone se présente sous la forme d'un grand cylindre rempli d'eau douce contenant des micro-algues assurant la photosynthèse. Installé en ville dans les lieux particulièrement pollués, ce type de bioréacteur absorbe autant de gaz carbonique qu'une centaine d'arbres, soit une tonne de carbone par an soustraite de l'atmosphère. Les micro-algues sont ensuite récupérées pour produire de l'énergie. Selon Arnaudis, "la biomasse produite par l'activité des micro-algues peut être évacuée vers la station d’épuration qui utiliserait cette matière afin de produire une énergie verte : du biogaz ou du biométhane lorsqu’il est réinjecté dans le réseau de gaz naturel." Un puit à carbone fut installé à Paris en janvier 2017 pour tester la captation des fumées d'incinération. Une deuxième colonne sera installée ensuite en cœur de la capitale, Place Victor et Hélène Basch à Paris.

A gauche, le principe du puits de carbone basé sur un bioréacteur à micro-algues absorbant le gaz carbonique de l'air. Au centre, la première colonne de Morris anti-pollution à micro-algues installée à Paris en 2017. A droite, les micro-algues du genre Nannochloropsis (2-3 microns de diamètre) de la famille des Eustigmatacées. Pour la différencier d'autres espèces, le microscope électronique ne suffit pas. Il faut analyser son ADN (gène rbcL et séquence ARNr 18S). Documents Suez-Fermentalg et anonyme.

Fermentalg confirme qu'en multipliant les puits de carbone, une agglomération pourrait ainsi avoir un effet positif, persistant et à long terme sur la nature de l'air local et minimiser l'impact des pics de pollution. Les puits de carbone peuvent également être utilisés dans des sites industriels où des niveaux élevés de CO2 sont produits.

Si ces tests urbains sont concluants, Fermentalg passera à la phase industrielle.

Transformer le CO2 en nourriture pour les animaux

Le carbone présent dans l'atmosphère peut également être transformé afin d'être incorporé dans la chaîne alimentaire et ainsi boucler le cycle du carbone, un processus susceptible de contribuer à la réduction des émissions de gaz carbonique issues de l'industrie et de l'agriculture.

En 2018, Peter Rowe (28 ans) et Rob Mansfield (27 ans) fondèrent la société britannique Deep Branch Biotechnology avec le soutient du programme BioCity Accelerator avec l'intention de "sauver la planète". Membre du club restreint des "30 Under Manufacturing & Industry" de Forbes, les deux jeunes entrepreneurs terminèrent au terme de six mois d'activité la phase d'essai d'une méthode de transformation du CO2 en protéines. Selon les chercheurs, "la protéine est optimisée du point de vue nutritionnel pour être utilisée dans l'alimentation des animaux et comme substitut direct aux protéines conventionnelles de l'alimentation animale telles que le soja ou la farine de poisson."

Le procédé est basé sur un bioréacteur contenant des micro-organismes permet de convertir le gaz carbonique en poudre de protéines destinée aux poissons d'élevage. En parallèle, l'entreprise développe une protéine pour nourrir le bétail, en particulier les animaux monogastriques, c'est-à-dire les animaux dont l'estomac ne comprend qu'une seule chambre, tels que les humains, les rats, les chiens, les cochons, les chats, les chevaux et les lapins (à l'inverse des ruminants dont l'estomac comprend plusieurs chambres).

La poudre de protéines produite par Deep Branch Biotechnology à partir de gaz carbonique.

Si le procédé fonctionne à l'échelle du laboratoire, les chercheurs se concentrent actuellement sur la réalisation d'un modèle réduit et mobile en réduisant au maximum les risques industriels. Selon Rowe, "Nous visons à ce que le processus soit éprouvé à grande échelle et que nos produits soient commercialisés dans les quatre prochaines années."

Dans un communiqué, Imelda Juniarsih, analyste en investissements chez BioCity déclara : "Nous avons été impressionnés par le potentiel de cette nouvelle technologie en matière de réduction des émissions mondiales de gaz carbonique. Investir dans les entreprises en phase de démarrage est une priorité pour BioCity. Nous investissons dans de jeunes entreprises pour soutenir le développement de nouvelles technologies qui, selon nous, pourraient avoir un impact réel."

Dans le même secteur, dans le cadre du projet "MOPED", une équipe de chercheurs dirigée par Juha-Pekka Pitkänen du Centre de Recherche VTT en collaboration avec l'Université de Technologie Lappeenranta (LUT) a mis au point en 2017 un procédé permettant de produire des protéines à partir d'électricité et de gaz carbonique comme illustré ci-dessous.

Le principe du bioréacteur développé par VTT.

La technologie basée un réacteur biologique exploite des micro-organismes qui utilisent l'hydrogène de l'eau comme source d'énergie et le CO2 comme source de carbone. L'hydrogène est obtenu par le procédé classique d'électrolyse de l'eau grâce à l'électricité. Des nutriments sont également ajoutés comme le sulfate d'ammonium ((NH4)2SO4) et le phosphore afin que les micro-organismes produisent des protéines. Selon Pitkänen, "à long terme les protéines ainsi créées sont destinées à être utilisées dans l'alimentation. Le mélange est très nutritif, avec plus de 50% de protéines et 25% de glucides. Le reste est constitué de graisses et d'acides nucléiques. La consistance du produit final peut être modifiée en modifiant les organismes utilisés dans la production."

Ce procédé n'est encore qu'à l'état de prototype et le produit n'est pas encore commercialisable en l'état. Les micro-organismes demandent 2 semaines pour produire 1 gramme de protéines. Il n'est pas encore rentable ni même abouti. La poudre alimentaire ainsi produite est insipide et sans odeur définissable et ne peut donc pas être utilisée telle qu'elle en cuisine par exemple sans être améliorée. Les chercheurs estiment qu'il faudra 10 ans pour finaliser le projet et commercialiser ce produit.

Selon les chercheurs, l'avantage de l'invention est qu'elle utilise un mini-bioréacteur portable. Le procédé requiert aussi dix fois moins d'énergie que la photosynthèse et on peut avantageusement l'utiliser partout où de l'énergie renouvelable est disponible, notamment solaire ou éolienne. Cette technologie est particulièrement intéressante pour nourrir les populations dans les régions désertiques ou en agriculture, pour nourrir le bétail et préserver les terres cultivables.

A voir : Cell Factories - Beyond fossil oil based products, VTT

A consulter : Bioprocess development, VTT

A gauche, le mini-bioréacteur portable utilisé par VTT pour produire des protéines à partir d'électricité et de gaz carbonique. A droite, le résultat, une poudre de protéines alimentaires. Documents VTT.

Toujours dans le même secteur, la société NovoNutrients installée en Californie propose également de convertir le CO2 en nourriture pour les animaux. À partir d'une technique de fermentation naturelle et sans OGM, le procédé de transformation s'appuye sur des micro-organismes qui capturent le dioxyde de carbone pour assurer leurs fonctions métaboliques et fabriquer des protéines, des graisses ou des glucides.

Comme les autres procédés de ce type, le produit final constitue une alternative meilleure marché que les farines animales constituées notamment de poisson. La technologie s'applique également à l'aquaculture, notamment des micro-algues (cf. M.Molazadeh et al., 2019) qui peuvent fixer le gaz carbonique ou d'autres matières contenues dans les eaux polluées et produire de la biomasse qu'on peut ensuite utiliser dans différents secteurs de l'industrie (industrie alimentaire, biocarburant, etc).

Deuxième partie

Fabriquer de l'encre avec le gaz carbonique

Page 1 - 2 -


[1] Ne pas confondre la transformation et la purification du gaz carbonique. Il existe des usines de purification comme par exemple Linde en Allemagne, General Electric aux Etats-Unis et Cosmo Engineering au Japon basées sur une technologie cryogénique. Mais leur but n'est pas de transformer ou d'éliminer le gaz carbonique mais de le purifier afin de pouvoir l'utiliser notamment dans les boissons gazeuses.


Back to:

HOME

Copyright & FAQ