Les scientifiques dévoilent le système de capture du carbone le moins coûteux à ce jour


Le besoin d’une technologie capable de capturer, d’éliminer et de réutiliser le dioxyde de carbone se renforce avec chaque CO2 molécule qui atteint l’atmosphère terrestre. Pour répondre à ce besoin, les scientifiques du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique du ministère de l’Énergie ont franchi une nouvelle étape dans leurs efforts pour rendre la capture du carbone plus abordable et plus répandue. Ils ont créé un nouveau système qui capte efficacement le CO2 – le moins coûteux à ce jour – et le transforme en l’un des produits chimiques les plus utilisés au monde : le méthanol.

CO piégeant2 avant qu’il ne flotte dans l’atmosphère est un élément clé du ralentissement du réchauffement climatique. La création d’incitations pour que les plus grands émetteurs adoptent la technologie de capture du carbone est cependant un précurseur important. Le coût élevé de la technologie de capture commerciale est un obstacle de longue date à son utilisation généralisée.

Les scientifiques du PNNL pensent que le méthanol peut fournir cette incitation. Il a de nombreuses utilisations comme carburant, solvant et ingrédient important dans les plastiques, la peinture, les matériaux de construction et les pièces automobiles. Conversion du CO2 en substances utiles comme le méthanol offre aux entités industrielles la possibilité de capturer et de réutiliser leur carbone.

Le chimiste du PNNL David Heldebrant, qui dirige l’équipe de recherche à l’origine de la nouvelle technologie, compare le système au recyclage. Tout comme on peut choisir entre des matériaux à usage unique et recyclables, on peut aussi recycler le carbone.

« C’est essentiellement ce que nous essayons de faire ici », a déclaré Heldebrant. « Au lieu d’extraire du pétrole du sol pour fabriquer ces produits chimiques, nous essayons de le faire à partir de CO2 capté de l’atmosphère ou des centrales au charbon, afin qu’il puisse être reconstitué en choses utiles. Vous gardez le carbone en vie, pour ainsi dire, il ne s’agit donc pas simplement de « le retirer du sol, de l’utiliser une fois et de le jeter ». Nous essayons de recycler le CO2tout comme nous essayons de recycler d’autres choses comme le verre, l’aluminium et les plastiques. »

Comme décrit dans la revue Matériaux énergétiques avancés, le nouveau système est conçu pour s’adapter aux centrales électriques au charbon, au gaz ou à la biomasse, ainsi qu’aux fours à ciment et aux aciéries. À l’aide d’un solvant de capture développé par PNNL, le système capte le CO2 molécules avant qu’elles ne soient émises, puis les convertit en substances utiles et commercialisables.

Une longue file de dominos doit tomber avant que le carbone puisse être complètement éliminé ou entièrement empêché de pénétrer dans l’atmosphère terrestre. Cet effort – diffuser la technologie de capture et de conversion dans le monde – représente certaines des premières tuiles cruciales.

Le déploiement de cette technologie réduira les émissions, a déclaré Heldebrant. Mais cela pourrait également contribuer à stimuler le développement d’autres technologies de capture du carbone et à établir un marché pour le CO2-contenant des matériaux. Avec un tel marché en place, le carbone saisi par les technologies anticipées de captage direct de l’air pourrait être mieux reconstitué en matériaux à plus longue durée de vie.

L’appel à un captage du carbone moins cher

En avril 2022, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat a publié son rapport du Groupe de travail III axé sur l’atténuation du changement climatique. Parmi les mesures de limitation des émissions décrites, le captage et le stockage du carbone ont été cités comme un élément nécessaire pour atteindre des émissions nettes nulles, en particulier dans les secteurs difficiles à décarboner, comme la sidérurgie et la production chimique.

« La réduction des émissions dans l’industrie impliquera une utilisation plus efficace des matériaux, la réutilisation et le recyclage des produits et la réduction des déchets », a déclaré le GIEC dans un communiqué de presse publié en même temps que l’une des tranches 2022 du rapport. « Afin d’atteindre le zéro CO net2 émissions pour le carbone nécessaire à la société (par exemple, les plastiques, le bois, les carburants d’aviation, les solvants, etc.) », indique le rapport, « il est important de fermer les boucles d’utilisation du carbone et du dioxyde de carbone grâce à une circularité accrue avec le recyclage mécanique et chimique . »

La recherche du PNNL se concentre sur cela, en alignement avec le Carbon Negative Shot du DOE. En utilisant de l’hydrogène de source renouvelable dans la conversion, l’équipe peut produire du méthanol avec une empreinte carbone plus faible que les méthodes conventionnelles qui utilisent le gaz naturel comme matière première. Méthanol produit via le CO2 la conversion pourrait bénéficier d’incitations politiques et commerciales destinées à favoriser l’adoption de technologies de réduction des émissions de carbone.

Le méthanol est l’un des produits chimiques les plus produits en volume. Connu sous le nom de « matériau de plate-forme », ses utilisations sont très variées. En plus du méthanol, l’équipe peut convertir le CO2 en formiate (un autre produit chimique de base), en méthane et en d’autres substances.

Une quantité importante de travail reste à optimiser et à faire évoluer ce processus, et il faudra peut-être plusieurs années avant qu’il ne soit prêt pour un déploiement commercial. Mais, a déclaré Casie Davidson, responsable du secteur du marché de la gestion du carbone et de l’énergie fossile de PNNL, le remplacement des produits chimiques conventionnels n’est que le début. « L’approche intégrée de l’équipe ouvre un monde de nouveaux CO2 chimie de conversion. On a le sentiment que nous nous tenons au seuil d’un tout nouveau domaine de technologie carbone évolutive et rentable. C’est une période très excitante. »

Coûts en ruine

Les systèmes commerciaux absorbent le carbone des gaz de combustion à environ 46 $ par tonne métrique de CO2, selon une analyse du DOE. L’objectif de l’équipe du PNNL est de réduire continuellement les coûts en rendant le processus de capture plus efficace et économiquement compétitif.

L’équipe a ramené le coût de capture à 47,10 $ par tonne métrique de CO2 en 2021. Une nouvelle étude décrite dans le Journal de la production plus propre explore le coût de fonctionnement du système de méthanol à l’aide de différents solvants de capture développés par PNNL, et ce chiffre est maintenant tombé à un peu moins de 39 $ par tonne métrique de CO2.

« Nous avons examiné trois CO2-solvants de liaison dans cette nouvelle étude », a déclaré l’ingénieur chimiste Yuan Jiang, qui a dirigé l’évaluation. « Nous avons constaté qu’ils captent plus de 90 % du carbone qui les traverse, et ils le font pour environ 75 % du coût des systèmes traditionnels. technologie de captation. »

Différents systèmes peuvent être utilisés selon la nature de l’usine ou du four. Mais, quelle que soit la configuration, les solvants sont essentiels. Dans ces systèmes, les solvants lavent sur le CO2-des gaz de combustion riches avant qu’ils ne soient émis, laissant derrière eux du CO2 molécules maintenant liées dans ce liquide.

Créer du méthanol à partir de CO2 n’est pas nouveau. Mais la capacité à la fois de capturer le carbone et de le convertir en méthanol dans un système à écoulement continu l’est. La capture et la conversion se sont traditionnellement produites en deux étapes distinctes, séparées par la chimie unique et souvent non complémentaire de chaque processus.

« Nous veillons enfin à ce qu’une technologie puisse effectuer les deux étapes et les faire bien », a déclaré Heldebrant, ajoutant que la technologie de conversion traditionnelle nécessite généralement du CO hautement purifié.2. Le nouveau système est le premier à créer du méthanol à partir de CO « sale »2.

Réduire les émissions de demain

Le processus de capture du CO2 et le convertir en méthanol n’est pas du CO2-négatif. Le carbone du méthanol est libéré lorsqu’il est brûlé ou séquestré lorsque le méthanol est converti en substances ayant une durée de vie plus longue. Mais cette technologie « prépare le terrain », a déclaré Heldebrant, pour le travail important consistant à maintenir le carbone lié à l’intérieur du matériau et hors de l’atmosphère.

D’autres matériaux cibles comprennent les polyuréthanes, que l’on trouve dans les adhésifs, les revêtements et les mousses isolantes, et les polyesters, qui sont largement utilisés dans les tissus pour textiles. Une fois que les chercheurs ont finalisé la chimie derrière la conversion du CO2 dans des matériaux qui le maintiennent hors de l’atmosphère pour des échelles de temps pertinentes pour le climat, un large réseau de systèmes de capture pourrait être prêt à exécuter de telles réactions.

Au lieu des cheminées d’aujourd’hui, Heldebrant envisage le CO2 raffineries construites dans ou à côté de centrales électriques, où le CO2-les produits contenants peuvent être fabriqués sur place. « Nous sommes à un tournant », écrivaient Heldebrant et ses coauteurs dans un récent article publié dans la revue Sciences chimiques« où nous pouvons continuer à utiliser l’infrastructure monolithique de capture et de conversion du 20e siècle ou nous pouvons commencer la transition vers un nouveau paradigme du 21e siècle de technologies intégrées de capture et de conversion du carbone à base de solvants. »

Cette technologie est disponible sous licence. Veuillez contacter Sara Hunt, responsable de la commercialisation PNNL, pour en savoir plus.

Ce travail a été soutenu par le Fonds de commercialisation des technologies du Département de l’énergie, le Bureau de l’énergie fossile et de la gestion du carbone et Southern California Gas. Une partie du travail a été effectuée à l’EMSL, le Laboratoire des sciences moléculaires de l’environnement, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au PNNL.

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