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Recyclage et transformation du CO2

Recyclage du gaz carbonique.

Projets pour un air pur

Nous consommons tous des combustibles fossiles pour alimenter notre voiture, les trains, les usines et les villes. Du fait que les énergies alternatives sont encore très chères, nous continuons à inonder notre atmosphère de gaz carbonique qui atteint aujourd'hui des niveaux records.

Si nous voulons réduire le taux de gaz carbonique d'origine anthropique contenu dans l'atmosphère 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 ou en combustible. 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.

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.

Un nouvelle étude publiée dans la revue "Joule" en 2018 par l'entreprise canadienne Carbon Engineering 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.

Transformation du CO2 en combustible

La lumière bleue des LED émise par le photoréacteur combinée à une matière hautement poreuse appelée MOF (Metal-Organic-Frameworks) transforme le gaz carbonique en formate, un combustible. Document Matthew W. Logan et al.

Le chimiste Fernando Uribe-Romo de l'Université UCF de Floride et ses collèguess ont trouvé un moyen de détourner le processus de photosynthèse afin qu'il transforme les gaz à effet de serre en air pur et produise en même temps de l'énergie. Leur découverte fut publiée en 2017 dans le "Journal of Materials Chemistry A".

Les chercheurs ont développé une technique permettant grâce à une réaction chimique à travers un réseau métal-organique poreux appelé MOF (Metal-Organic-Frameworks) de briser la molécule de dioxyde de carbone en un élément organique non toxique et combustible.

A l'image de la photosynthèse des végétaux, au lieu de synthétiser de la matière organique (du glucose, une forme d'énergie chimique pour les organismes vivants) à partir de l'énergie lumineuse du Soleil et de carbone minéral, l'invention produit une autre forme d'énergie chimique, un combustible.

Les réseaux métal-organiques à ouvertures à pores (MOF) sont connus des chimistes depuis longtemps (cf. ces brevets de 1987, 2009 et 2011) car ils entrent dans les fabrications d'éléments photocatalytiques. Dans ce cas ci, le réseau isoréticulaire MOF est basé sur du titane et permet la photcatalyse du gaz carbonqiue sous l'effet d'une lumière bleue.

L'expérience que l'on voit à droite comprend une cuve cylindrique couverte sur sa paroi intérieure de LED bleues imitant la longueur d'onde bleue du Soleil agissant comme un photoréacteur. La chambre est ensuite alimentée en CO2. En passant à travers le MOF, au bout de 120 heures de traitement le CO2 est transformé chimiquement en deux formes réductrices de carbone, le formate ou formiate de carbone (CHOO-) et en formamide (CH3NO), deux combustibles "solaires", le traitement débarrassant l'air de son polluant à effet de serre.

La fabrication du matériau absorbant (le MOF) exploite une couleur spécifique de la lumière très difficile à gérer d'un point de vue technique, mais très bénéfique d'un point de vue sociétal, car elle contribue à réduire les gaz à effet de serre. 

A terme, Uribe-Romo espère pouvoir produire de grandes quantités de carbone réduit à partir d'une réaction avec d'autres longueurs d'ondes lumineuses et d'adapter le MOF en conséquence. Si le procédé fonctionne efficacement, cela pourrait être un bon moyen de recycler les gaz à effet de serre, tout en exploitant un procédé propre de production d'énergie.

Photosynthèse

Energie + nCO2 + H® (CH2O)n + O2

L'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique (sucre). Le "déchet" de la réaction est l'oxygène libre.

Conversion du CO2 en combustible

CO2 + LED bleue + MOF ®  CHOO- + CH3NO

Sous l'effet d'une lumière bleue, le gaz carbonique absorbé par le MOF est transformé en carbone réduit, formate et formamide, qui sont deux combustibles.

Actuellement, le procédé est toujours en développement. Selon Uribe-Romo, "il faut l'affiner afin de produire une plus grande quantité de carbone réduit afin qu'il devienne plus efficace [...]. L'idée serait de placer les stations de capture de gaz carbonique à côté d'une centrale électrique. Le gaz serait aspiré dans la station de purification où le gaz à effet de serre serait recyclé tout en produisant de l'énergie qui serait injectée dans le circuit de la centrale électrique". Il imagine aussi qu'un jour, "les propriétaires pourraient acheter des bardeaux (tuiles de bois) fabriquées à partir de MOF, ce qui permettrait de purifier l'air dans leur quartier tout en produisant de l'énergie qui pourrait être utilisée pour alimenter leurs maisons". L'idée est géniale et à suivre.

Transformer le CO2 en éthanol

En 2016, Adam J. Rondinone et son équipe du Laboratoire National d'Oak Ridge (ORNL) ont annoncé dans la revue "Chemistry Select" avoir mis au point une méthode efficace pour transformer le CO2 en éthanol, un combustible. La réaction découverte par accident est d'autant plus efficace que la première étape de ce processus se réalise d'elle-même. La réaction transforme le CO2 en éthanol qu'on peut ensuite utiliser pour alimenter les générateurs de puissance et les véhicules.

La technique exploite un procédé catalytique impliquant des nanoparticules de cuivre intégrées dans des nano-aiguilles (des nano-spikes) en graphène N-dopé (du carbone dopé à l'azote) appliquées sur une surface de silicium. Selon le Dr Rondinone, membre de l'équipe de recherche de l'ORNL, "le système agit comme des sortes de paratonnerres de 50 nm qui concentrent la réaction électrochimique au sommet de la pointe". En appliquant un courant de 1. 2 V, le film de nano-aiguilles se comporte comme une paire d'électrodes :  en présence d'électrons, le système convertit (dimérise) le CO2 en suspension dans l'eau (H2O) en éthanol (C2H6O ou CH3-CH2-OH) selon la formule :

2 CO2 + 9 H2O + 12 e- C2H5OH + 12 OH- pour un potentiel à l'équilibre E°=0.084 V

La nanotechnologie permet d'obtenir des réactions catalytiques très précises avec très peu d'effets secondaires, c'est-à-dire de contaminants. Le processus de conversion présente un rendement de 63 %.

Les chercheurs ont découvert ce processus par accident car le même type de réaction électrochimique permet de créer plus de 30 autres produits dont le méthane (CH4), le méthanol (CH4OH), l'éthylène (C2H4), l'éthane (C2H6), le monoxyde de carbone (CO) ou l'acide formique (HCOOH) mais le rendement de ces réactions (en terme d'efficacité et de sélectivité) est de loin inférieur à celui de l'éthanol.

A voir : Nano-spike catalysts convert CO2 directly into ethanol, ORNL, 2016

Le S2P de Sandia convertit le CO2 en combustible (sur le blog, 2008)

A gauche, les chercheurs Yang Song (assis), Dale Hensley (debout à gauche) et Adam Rondinone de l'ORNL examinant un échantillon de nano-aiguilles de carbone avec un microscope électronique à balayage (SEM). A droite, gros-plan sur le catalyseur à base de nanosphères de cuivre intégrées dans des nano-aiguilles de carbone fixées sur un substrat en silicium servant à transformer le dioxyde de carbone dissout dans l'eau en éthanol. Documents ORNL.

Ce processus présente plusieurs avantages comparé à d'autres méthodes de conversion du CO2 en carburant. D'abord la réaction utilise des matériaux ordinaires comme le cuivre et le carbone (plutôt que l'étain, le fer, le platine, l'argent ou l'or) et convertit le CO2 en éthanol qui est un combustible largement utilisé.

Ensuite, c'est un procédé simple car il utilise un seul catalyseur pour transformer le CO2 en éthanol et de plus avec un rendement supérieur à d'autres méthodes de conversion (par exemple en hydrocarbures liquides via une réaction avec le dioxyde de titane).

Enfin, et c'est peut-être le plus important, la réaction fonctionne à température ambiante, ce qui signifie qu'elle est immédiatement efficace et peut être facilement déclenchée ou arrêtée avec un très faible coût énergétique. On peut donc s'en servir notamment comme réserve alternative d'énergie afin d'éviter les fluctuations trop importantes dans le réseau d'approvisionnement en énergie. Avis aux industriels.

Risques sanitaires associés à l'éthanol et au E85

La question est maintenant de savoir si les industriels sont prêts à investir dans cette technologie qui pourrait assez rapidement être mise en production. En effet, plusieurs contraintes apparaissent. Il faut atteindre un niveau de production d'éthanol en rapport avec les besoins de la société (même limité à des véhicules publics, un village ou une ville pour commencer). Il faut ensuite que le prix de vente reste meilleur marché que celui des carburants actuels. Enfin, il faut que les véhicules puissent accepter ce nouveau type de carburant (il existe un kit de conversion appelé "Flex Fuel" ou "E85" permettant d'utiliser 85 % d'éthanol et 15 % d'essence mais il est inadapté aux véhicules diesel qui sont majoritaires dans certains pays).

Pompes à biofuel. Document Flexogreen.

Mais pire, selon une étude que beaucoup d'experts semblent avoir oubliés publiée en 2007 par Mark Z. Jacobson du Département d'Ingénierie Civile et Environnementale de l'Université de Stanford, l'éthanol serait aussi mauvais que le CO2 pour la santé. En effet, sous forme de carburant E85, il émet de l'acétaldéhyde (aldéhyde acétique, C2H4O) ou éthanal. C'est un composant volatil inflammable également émis par les plantes mais c'est aussi une substance toxique qui irrite les yeux et les voies respiratoires et susceptible d'être cancérigène selon l'INRS.

Selon le rapport Renewables 2005, en 2004 le "Flex Fuel" ou "Propel" représentait 44 % des carburants non diesel utilisés au Brésil et 30 % des mélanges d'essence vendus aux Etats-Unis en 2005. Il était également proposé au Canada et dans plusieurs pays européens.

Dans son article publié en 2007 Jacobson déclara : "comparé à l'essence (100 %), le carburant E85 pourrait augmenter de 9 % le risque de mortalité lié à l'ozone, le nombre d'hospitalisations et l'asthme dans la ville de Los Angeles et de 4 % dans l'ensemble des Etats-Unis [...] mais on a estimé qu'il provoqua peu de changement dans le risque de cancer. En raison de son impact sur l'ozone, le risque sanitaire du E85 sur la population pourrait être supérieur à celui de l'essence. Il conclut : "Toutefois, en raison des incertitudes sur la reglementation de ses émissions, on peut conclure avec un certain niveau de confiance que le E85 ne va probablement pas améliorer la qualité de l'air par rapport aux véhicules à essence".

Malgré ces conclusions plutôt négatives voires alarmantes et du principe de précaution qui devrait prévaloir sur les règles économiques, la plupart des gouvernements n'ont pas hésité à proposer des biocarburants à base d'éthanol, le E85 étant en moyenne 30 % moins cher que le diesel et 50 % moins cher que l'essence super 98. En 2017, le superéthanol (ou bioéthanol) E85 était distribué en France, en Allemagne et dans quelques stations d'Espagne, d'Italie et des Iles Britanniques mais pas en Belgique ni au Luxembourg où le sujet est toujours en discussion pour des raisons sanitaires évidentes.

Bref, on peut être classé comme biofuel "vert" tout en présentant des risques sanitaires ! Autrement dit, contrairement à l'alimentation, en matière de carburant il n'y a aucun rapport entre l'usage du terme "bio" et la santé. Autant savoir.

En guise de conclusion

Comme évoqué en introduction, le sujet de capture et de la transformation du CO2 est loin d'être clos et à n'en pas douter les chercheurs proposeront à l'avenir d'autres solutions probablement plus efficaces et encore plus rentables.

Ceci dit, certains auront toujours l'argument de dire que ces technologies aussi performantes soient-elles ne résolvent pas le problème de la pollution et au contraire, qu'elles incitent les industriels à continuer de polluer puisqu'il existe des méthodes pour récupérer et transformer les polluants qu'ils émettent ! On peut aussi considérer que cette stratégie n'a pas d'avenir à long terme puisque notre société s'oriente de plus en plus vers des énergies alternatives mettant en avant l'énergie verte et propre et notamment les moteurs électriques dont certains véhicules sont déjà équipés. On y reviendra.

Si cela est vrai, on ne peut pas utiliser cet argument comme excuse pour ne rien faire ou plutôt pour laisser-faire les pollueurs ! Rien n'empêche de contraindre les pollueurs à ne plus émettre de substances polluantes ou à les recycler et en parallèle de rechercher des solutions pour réduire les émissions des gaz à effet de serre d'origine anthropique. Si nous voulons préserver notre santé et celle de la planète, nous n'avons pas d'autre choix que de mener cette guerre écologique sur tous les fronts en même temps et les "amis de la Terre" sont suffisamment nombreux y compris en politique pour faire entendre leur voix et changer les mentalités.

Pour plus d'informations

Carbon Engineering

Global Thermostat

Climeworks

Can carbon capture from air shift the climate change equation?, Physics Today, 2018

United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCC, en français)

Global Change, GCRIO

Géosphère Biosphère, IGBP

Global Change Master Directory, NASA/GCMD

Mission to Planet Earth, NASA

Worldwatch Institute

NOAA

National Geographic - Earthpulse

Human Activities and their Impacts.

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[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.


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