La capture et le stockage du dioxyde de carbone franchissent un palier grâce à des nanomatériaux innovants
Le principal objectif du projet INTERACT (INnovaTive Enzymes and polyionic-liquids based membRAnes as CO2 Capture Technology) était d'obtenir de meilleurs résultats que les processus de capture actuels en matière de rendement énergétique et d'économie. Pour cela, l'équipe a mis au point d'extraordinaires biocatalyseurs enzymatiques et développé des nanomatériaux extrêmement efficaces appelés «liquides polyioniques» (PIL). Ces derniers ont servi à créer des membranes hautement sélectives de séparation des gaz, qui ont ensuite été intégrées à des technologies innovantes. «Les processus post-combustion actuels, tels que l'épuration chimique, présentent d'importants inconvénients financiers en raison de l'importante quantité d'énergie qu'ils consomment», explique le professeur Dr Andrzej Gorak, coordinateur du projet pour l'Université technique de Dortmund. «INTERACT apporte la base technologique requise pour faire progresser ces processus: nous avons réalisé une avancée notable dans le processus d'épuration du gaz en utilisant des systèmes de solvant à catalyse enzymatique ainsi que des équipements de contact innovants tel que des contacteurs à membrane. Plus important encore, nous avons tenté d'exploiter les synergies entre l'affinité élevée de capture du CO2 de nos matériaux et les technologies renforcées. Parallèlement, nous avons analysé les performances en nous appuyant sur une évaluation technico-économique et du cycle de vie.» Le projet INTERACT a nécessité d'importantes expérimentations ainsi que des modèles de performances détaillés pour chaque technologie, dans le laboratoire mais aussi à l'échelle pilote. À titre d'exemple, l'équipe a commencé par procéder à des essais d'enzyme pour identifier les systèmes de solvant à catalyse enzymatique adaptés. Dans le même temps, elle a procédé en laboratoire, dans une colonne à parois humides, à des examens plus approfondis des améliorations possibles du transfert de masse sur des systèmes offrant une stabilité plus durable. Ensuite, les systèmes de solvants à catalyse enzymatique les plus prometteurs ont été soumis à des colonnes d'absorption de différents diamètres et hauteurs, sur divers sites techniques. «La mise en œuvre d'enzymes efficaces permet d'utiliser des solvants qui présentent une chaleur par absorption plus faible et une capacité de CO2 plus élevée, ce qui entraîne au final une réduction significative des besoins en énergie du processus d'absorption chimique», souligne le professeur Dr Gorak. La combinaison d'une anhydrase carbonique et d'une solution aqueuse de MDEA avec la nouvelle enzyme a mis en évidence une amélioration du transfert de CO2 d'un facteur neuf. Ce système peut être appliqué à un équipement d'épuration haute technologie. Le professeur Dr Gorak est confiant dans le fait que des améliorations peuvent encore être apportées au système. Un potentiel inexploité Les membranes à gaz du projet, qui utilisent des liquides polyioniques, ont également montré qu'il était possible d'élever le rendement énergétique du processus de capture du CO2, même si le professeur Gorak indique que les aspects économiques doivent encore être améliorés: «Le concept de contacteur à membrane mixte mis au point, qui combine liquides polyioniques et enzymes, est intéressant dans le sens où il permet d'exploiter les synergies entre ces matériaux. Il doit toutefois être étudié plus en détail avant l'évaluation finale.» Les liquides polyioniques les plus sélectifs, poreux et denses se sont avérés être des sorbants compétitifs pour les processus d'adsorption et en tant que couches hautement sélectives et actives dans les procédés utilisant des membranes composites à film mince pour la séparation des gaz. «Fait intéressant, c'est dans le secteur des systèmes de stockage de l'énergie électrochimique qu'un des liquides polyioniques développés et commercialisés par un des partenaires du projet a suscité le plus d'intérêt, pour une utilisation éventuelle en tant que composant d'électrolytes à base de gel/polymère. Il pourrait aider à améliorer les systèmes de stockage de l'énergie et l'utilisation des énergies renouvelables», déclare le professeur Dr Gorak. Le professeur Dr Gorak et son équipe se sont assurés de fournir des concepts de traitement adaptés à chaque nouvelle technologie développée afin qu'il soit possible d'en tirer avantage tout en tenant compte des limites potentielles. Ces concepts ont tous été évalués dans le cadre d'un scénario d'émissions de CO2 en milieu industriel. Des évaluations techno-économiques et environnementales détaillées ont révélé que les technologies d'INTERACT présentent non seulement le potentiel requis pour réduire l'impact environnemental des centrales thermiques à charbon et d'autres processus générant du CO2, mais qu'elles offrent également des performances supérieures aux processus d'épuration par amine, à la pointe de la technologie. Le professeur Gorak pense que la technologie du projet sera un jour utilisée dans d'autres domaines que celui de la capture du CO2 à partir des gaz de combustion des centrales thermiques. Elle pourra notamment être appliquée au traitement des gaz de combustion du ciment et du biogaz: «L'utilisation de nos technologies pour produire du 'gaz naturel renouvelable' donnerait un coup de pouce à l'utilisation de carburants plus durables dans les transports. Il existe un potentiel important pour ce secteur dans lequel des infrastructures de biogaz relativement conséquentes existent déjà. Par ailleurs, le gaz naturel renouvelable est un 'carburant d'appoint' qui peut être utilisé en remplacement du diesel dans les navires et véhicules de grande puissance qui disposent de peu d'alternatives à faibles émissions de carbone.» Une chose est certaine: les résultats du projet feront parler d'eux dans les années à venir.
Mots‑clés
INTERACT, enzymes, capture et stockage du dioxyde de carbone, capture du carbone, nanomatériaux, liquide polyionique, épuration par amine, solvant à catalyse enzymatique, PIL, sorbant, gaz de combustion, gaz naturel renouvelable
