Analyse des technologies modernes de captage du carbone

En réponse aux efforts mondiaux visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES), de nombreux fabricants intègrent diverses mesures d'amélioration de l'efficacité et d'intégration d'énergie verte à leurs opérations. Les techniques de captage du CO₂, qui collectent et stockent ce gaz, offrent une solution prometteuse. Toutefois, l'adoption généralisée dépend de l'évolution des capacités et de la réduction des coûts de la technologie requise.

Pour le captage du carbone lié à la combustion, il existe deux approches distinctes : avant et après la combustion. Le captage pré-combustion intercepte le CO₂ avant le process de combustion par des méthodes comme la gazéification et le reformage.

En revanche, le captage après combustion se produit en aval de la combustion du combustible dans le procédé primaire. Elle utilise des solvants ou autres méthodes pour collecter directement le dioxyde de carbone provenant des effluents gazeux. Cette page se consacre au captage post-combustion. Bien qu'avantageuse pour sa possibilité de modernisation et sa maturité technologique, elle n'est pas aussi efficace que le captage avant la combustion.

Le traitement des gaz par les amines est la méthode de captage du carbone la plus couramment utilisée dans le secteur industriel. Cette technique de post-combustion utilise les propriétés chimiques de solutions d'amines comme la monoéthanolamine qui possèdent une grande affinité pour le dioxyde de carbone. Le process consiste à :

Les gaz de combustion sont soumis à un process de nettoyage pour éliminer la poussière, les particules, les composés sulfureux et d'autres contaminants. Ce prétraitement protège la solution d'amine et l'équipement de l'encrassement et de la corrosion. Les gaz chauds sont ensuite refroidis à une température optimale (environ 40-60 °C/104-140 °F) pour une absorption efficace du dioxyde de carbone par la solution d'amine.

Les gaz de combustion refroidis entrent dans le fond d'une colonne d'absorption, généralement une cuve cylindrique remplie d'une garniture pour améliorer le contact gaz-liquide. Une solution d'amines est introduite à contre-courant au sommet de la colonne. En remontant dans la colonne, les gaz de combustion entrent en contact avec la solution d'amines qui descend. Le CO₂ dans les gaz de combustion se fixe alors aux molécules d'amine, se séparant ainsi des gaz de combustion.

Transfert de la solution d'amine riche en dioxyde de carbone : la solution d'amine contenant maintenant du dioxyde de carbone est pompée vers une autre colonne appelée désorbeur ou régénérateur. Ce flux est méticuleusement mesuré à l'aide d'instruments à spectroscopie Raman pour garantir l'efficacité de l'étape de régénération ultérieure.

Dans le régénérateur, la solution d'amine riche en dioxyde de carbone est chauffée, généralement par injection de vapeur à environ 110 °C/230 °F. Cette chaleur rompt le lien entre l'amine et le dioxyde de carbone. La solution d'amine régénérée, maintenant exempte de dioxyde de carbone, descend au fond du régénérateur.

Refroidissement et recirculation des amines : la solution d'amines chaude régénérée passe par un échangeur thermique, transférant une partie de sa chaleur à la solution riche en dioxyde de carbone et améliorant l'efficacité énergétique. Un refroidissement supplémentaire remet la solution d'amines à la température optimale pour l'absorption du dioxyde de carbone et la solution d'amines refroidie est ensuite pompée au sommet de la colonne d'absorption pour répéter le cycle.

Le dioxyde de carbone libéré en haut du régénérateur est comprimé pour augmenter sa densité afin de faciliter le transport ou le stockage. La pureté de ce flux sortant est souvent analysée à l'aide d'instruments TDLAS. Selon l'application prévue, le dioxyde de carbone peut subir d'autres étapes de purification pour éliminer les contaminants.

Le traitement des gaz aux amines présente des taux d'efficacité de captage du CO₂ dépassant régulièrement 90 %. Toutefois, la régénération est particulièrement énergivore et la solution d'amines utilisée pendant tout le process se dégrade au fil du temps, nécessitant un réapprovisionnement. Les chercheurs travaillent à surmonter ces défis en étudiant des méthodes de régénération plus efficaces à l'énergie, notamment en utilisant la chaleur résiduelle provenant de process industriels. Ils développent également des solutions d'amines plus robustes avec une stabilité thermique et une résistance à la dégradation accrues.

Le captage du carbone par procédé membranaire est une méthode moins utilisée qui utilise la perméabilité sélective de membranes spéciales pour éliminer le dioxyde de carbone des flux gazeux. Ces membranes sont souvent constituées de polymères ou de matériaux céramiques, agissant comme gardiens moléculaires. Elles permettent le passage du CO₂ tout en bloquant les autres gaz. L'avantage principal de cette approche est son plus faible besoin en énergie par rapport à la régénération à haute température des gaz par les amines.

Les grandes étapes sont les suivantes :

1. Prétraitement des gaz de combustion : avant d'entrer dans le système membranaire, les gaz de combustion sont soumis à un process de nettoyage, généralement la filtration et l'épuration. Cette étape élimine la poussière, les particules et autres impuretés qui peuvent obstruer ou endommager les pores fragiles de la membrane. Le gaz de combustion est souvent refroidi et l'humidité est ajustée à des niveaux optimaux pour le matériau de membrane spécifique utilisé. Cela garantit une séparation efficace du dioxyde de carbone et évite les dépôts de condensation dans le système membranaire.
2. Séparation membranaire : les gaz de combustion prétraités sont dirigés à travers la membrane, qui constitue une barrière sélective. Les différences de taille, de structure et d'affinité des molécules au matériau de la membrane font que les molécules de dioxyde de carbone traversent la membrane plus rapidement que les autres gaz du flux, comme l'azote. Cela crée deux flux de gaz : le perméat et le rétentat. Le perméat, riche en dioxyde de carbone, passe à travers la membrane et est recueilli pour un traitement ultérieur. Le rétentat, exempt de CO₂, contient les gaz restants. Il est soit libéré dans l'atmosphère, soit redirigé vers le process industriel primaire.
3. Compression et conditionnement du dioxyde de carbone : le flux de perméat riche en dioxyde de carbone est comprimé pour augmenter sa densité afin de faciliter le transport ou le stockage. Selon l'application prévue, le dioxyde de carbone peut subir d'autres étapes de purification pour éliminer les contaminants.

En plus des faibles besoins en énergie, les systèmes membranaires présentent un faible encombrement, ce qui les rend parfaits pour une installation en zone à espace limité. Toutefois, le captage par procédé membranaire est moins efficace que le traitement aux amines, et de légères variations dans la composition, la pression et la température du flux de gaz peuvent fausser la performance.

Le traitement aux amines et les techniques membranaires sont les seules méthodes de captage du carbone post-combustion actuellement utilisées à l'échelle, mais les chercheurs explorent également d'autres approches.

La première est le captage direct dans l'air (CDA), qui extrait le dioxyde de carbone directement dans l'air ambiant. Cela est effectué à l'aide de ventilateurs à haute puissance qui tirent l'air à travers des sorbants spéciaux, comme les amines solides ou les solutions hydroxydes qui se fixent chimiquement au dioxyde de carbone. Une fois saturé, le sorbant est chauffé pour libérer le dioxyde de carbone capté, qui est ensuite recueilli pour l'utilisation ou le stockage.

Le CDA offre la possibilité de capter les émissions provenant des automobiles et autres sources. Toutefois, son adoption est entravée par des obstacles importants liés à la fragilité des sorbants, aux besoins énergétiques élevés et aux coûts importants par rapport aux technologies de captage à la source, et à la nécessité d'un déploiement à grande échelle pour obtenir un captage du carbone significatif.

Les chercheurs étudient l'utilisation de la biomasse comme source de combustible. En poussant, la biomasse, comme les arbres, absorbe le dioxyde de carbone de l'atmosphère. En captant ultérieurement le dioxyde de carbone libéré pendant la combustion, les utilisateurs peuvent obtenir efficacement des émissions négatives. Toutefois, la croissance de la biomasse nécessite une vaste superficie terrestre, des ressources en eau et un examen attentif des pratiques d'approvisionnement durables.

La généralisation du captage du carbone post-combustion dépend des obstacles technologiques et économiques surmontés, relatifs non seulement au captage, mais aussi à l'utilisation et au stockage. Très efficace, le traitement aux amines exige toutefois des apports d'énergie importants et une maintenance régulière des solvants utilisés. En revanche, le captage membranaire a des besoins énergétiques moindres mais est moins efficace. Les deux process sont donc coûteux.

À l'heure où l'industrie s'efforce d'atteindre l'objectifs du zéro net, la diversification des stratégies va être essentielle. La réalisation de ces objectifs nécessitera de combiner l'optimisation des process, les améliorations globales de l'efficacité énergétique, l'adoption de ressources renouvelables et un engagement pour le captage du carbone. Connaître les compromis écologiques, technologiques et économiques de chaque stratégie est essentiel pour améliorer la durabilité industrielle globale à l'avenir.