Nouvelle technique d’un laboratoire national américain pour éliminer le CO2 à un coût record

Un scientifique du Pacific Northwest National Laboratory étudie la technologie du système de capture du carbone. Photo avec l’aimable autorisation d’Andrea Starr au Pacific Northwest National Lab.

Photo avec l’aimable autorisation d’Andrea Starr au Pacific Northwest National Lab.

Les scientifiques de l’un des principaux laboratoires de recherche du pays ont découvert un moyen record de capturer le dioxyde de carbone tel qu’il est émis par les centrales électriques et les usines, y compris les installations de fabrication de fer et d’acier.

À l’échelle mondiale, les processus industriels sont responsables de 31 % des émissions totales de gaz à effet de serre et la production d’électricité représente 27 %, selon Bill Gates dans son livre sur le climat, éclipsant les 16 % des émissions totales de gaz à effet de serre provenant du secteur des transports.

La nouvelle technique découverte par le Pacific Northwest National Laboratory coûte 39 $ la tonne métrique et est la technique la moins chère pour ce type de capture de carbone jamais rapportée dans une revue scientifique à comité de lecture. À titre de comparaison, il en coûte 57 dollars par tonne métrique pour capturer le dioxyde de carbone d’une centrale électrique au charbon utilisant une technologie de pointe actuelle, indique le PNNL.

Ce serait encore moins cher si nous pouvions passer à une énergie 100% propre et ne pas avoir à éliminer du tout le dioxyde de carbone, mais ce n’est pas réaliste dans l’économie mondiale d’aujourd’hui, selon Casie Davidson, qui gère les travaux de gestion du carbone au PNNL.

Même si le réseau électrique était principalement alimenté par l’énergie éolienne et solaire, il faudrait encore des centrales au gaz naturel pour maintenir la stabilité du réseau ou pour fournir une sauvegarde lorsque le vent ne souffle pas ou que le soleil ne brille pas, a déclaré Davidson.

Tout aussi important, les processus industriels tels que la fabrication du fer, de l’acier, du ciment, des engrais, des pâtes et papiers et de la bioénergie pourraient tous réduire leurs émissions de dioxyde de carbone grâce à cette nouvelle technique. Les scientifiques et les entrepreneurs travaillent sur des moyens plus écologiques de fabriquer du ciment et de l’acier, par exemple, mais ceux-ci ne sont pas à grande échelle, a déclaré Davidson à CNBC.

“Nous avons la technologie pour pouvoir capturer le dioxyde de carbone de ces sources ponctuelles industrielles. Et attendre 20 ans jusqu’à ce que nous ayons la technologie de l’acier de nouvelle génération qui ne génère pas d’émissions de dioxyde de carbone n’a pas beaucoup de sens. “, a déclaré Davidson à CNBC.

La technique du PNNL élimine le dioxyde de carbone à la source, plutôt que de l’aspirer de l’air. La technique d’aspiration du CO2 existant dans l’air est connue sous le nom de capture directe du carbone et est illustrée par la société suisse Climeworks. La capture directe de l’air peut être nécessaire pour lutter contre le changement climatique, car il y a déjà tellement de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, mais c’est beaucoup plus cher que d’éliminer le CO2 à la source, comme le fait le PNNL — la capture directe de l’air que fait Climeworks coûte cher ” plusieurs centaines de dollars” par tonne, a déclaré un porte-parole à CNBC.

L'essor de l'industrie de l'élimination du carbone

“Imaginez que vous essayez de séparer un raisin d’un grand bol de spaghettis ou que vous essayez de séparer le raisin d’une piscine de spaghettis. Vous obtenez toujours un raisin, mais vous devez faire beaucoup plus de travail dans la piscine que dans le bol”, a expliqué Davidson.

“Mais du point de vue du changement climatique, l’atmosphère ne se soucie pas de savoir si ce raisin est sorti du bol de spaghetti ou de la piscine de spaghetti – il a le même impact”, a déclaré Davidson. “D’un point de vue sociétal, le capturer avant qu’il ne sorte, alors qu’il coûte 39 $ la tonne à capturer, plutôt que de le capturer alors qu’il est déjà dans l’atmosphère pour plus de 200 $ la tonne, a beaucoup plus de sens.”

L’argent pour financer cette recherche sur la technologie de capture du carbone s’est élevé à 1,2 million de dollars sur environ 3 ans et a été financé à 50/50 entre le ministère de l’Énergie et SoCalGas, un service public de distribution de gaz naturel, a déclaré Robert Dagle de PNNL à CNBC.

Comment le carbone est-il capté pour 39 $ la tonne ?

La technique du PNNL utilise la chimie des solvants, a expliqué David J. Heldebrant, scientifique en chef au PNNL qui dirige cette recherche.

Le gaz sale sort de la centrale électrique ou de l’usine et est déplacé dans une très grande chambre. En même temps, un liquide est pulvérisé depuis le haut de la chambre. Le gaz monte et le liquide descend et les deux substances se mélangent. Le gaz traité sort du haut de la chambre et le liquide contenant le CO2 est siphonné. Ce liquide est chauffé jusqu’à ce que le CO2 soit libéré sous forme de gaz. Le CO2 est comprimé pour le transport, où la majorité sera stockée. Le liquide restant, débarrassé du gaz CO2, est refroidi et renvoyé à la première étape du processus.

Ce système est très vaste. Il pompe 4 millions de litres de liquide par heure.

Le système PNNL est moins cher que les autres systèmes de capture du carbone car il fonctionne avec 2 % d’eau, contre 70 % d’eau, ce qui est la limite supérieure pour les technologies de capture du carbone précédentes et similaires. Il faut beaucoup de temps et beaucoup d’énergie pour faire bouillir l’eau, donc en retirant l’eau du système, le processus de capture du carbone devient beaucoup moins cher.

“C’est comme chauffer de l’huile sur votre poêle contre de l’eau bouillante”, a déclaré Heldebrant. “L’huile atteint la température beaucoup plus rapidement. Alors pensez-y car nous avons remplacé l’eau par essentiellement quelque chose comme une huile.”

Même avec cette innovation, un système de captage du carbone consomme beaucoup d’énergie. Cette énergie provient de la centrale électrique à laquelle le système de capture du carbone est attaché, a déclaré Yuan Jiang, ingénieur chimiste au PNNL qui travaille avec Heldebrant, à CNBC.

Une machine de capture de carbone installée utilisera jusqu’à 30 % de l’énergie générée par une centrale électrique pour éliminer 90 % du dioxyde de carbone. C’est ce qu’on appelle la « charge parasite » de la technologie de captage du carbone. Pour retrouver sa pleine capacité énergétique, la centrale devrait brûler plus d’énergie. Même ainsi, la technique se traduirait finalement par une réduction nette de dioxyde de carbone de 87% sur une base de production d’électricité nette par mégawatt, ont déclaré Heldebrant et Jiang à CNBC.

David J. Heldebrant, scientifique en chef au PNNL, vu ici tenant un flacon de méthanol, fabriqué avec un procédé intégré dans une installation de capture de carbone à source ponctuelle. Photo avec l’aimable autorisation d’Andrea Starr au Pacific Northwest National Lab.

Photo avec l’aimable autorisation d’Andrea Starr au Pacific Northwest National Lab

Créer une incitation financière

Ces systèmes de capture du carbone sont volumineux et coûteux : en installer un sur un réacteur de puissance coûterait 750 millions de dollars. Sans mandats gouvernementaux stricts ni incitations financières, les exploitants de centrales électriques ou de propriétaires d’usines auront peu de raisons de dépenser cet argent.

Dans un effort pour rendre cette technologie plus attrayante sur le plan économique, les chercheurs du PNNL ont développé un réacteur modulaire plus petit qui pomperait un à deux pour cent du solvant du système de capture du carbone dans un autre réacteur modulaire plus petit et l’utiliserait pour fabriquer un produit que les entreprises peuvent vendre. .

“Si nous pouvons donner une incitation économique – s’ils peuvent convertir seulement 1% du dioxyde de carbone qu’ils captent dans l’une de ces grandes installations”, a déclaré Heldebrant à CNBC, alors peut-être que les usines pourront “vendre suffisamment de choses comme le méthanol, ou du méthane ou d’autres types de produits carbonatés pour au moins fournir une incitation financière, de sorte qu’ils voudraient en fait construire l’unité de capture en premier lieu”, a déclaré Heldebrant à CNBC.

Ils commencent avec le méthanol, qui coûte actuellement 1,20 $ le gallon. Cela signifie que 20 gallons de méthanol produits paieraient pour une tonne métrique de dioxyde de carbone à capturer. Pour une certaine échelle, les États-Unis ont émis 4,7 milliards de tonnes métriques de dioxyde de carbone en 2020, selon les données les plus récentes disponibles auprès de l’EPA.

“Nous avons choisi le méthanol parce que c’est probablement le troisième ou le quatrième produit chimique fabriqué par l’homme”, a déclaré Heldebrant à CNBC. Selon le Methanol Institute, le méthanol est utilisé dans des centaines de produits courants, notamment les plastiques, les peintures, les pièces automobiles et les matériaux de construction. Il peut également être une source d’énergie pour les camions, les autobus, les navires, les piles à combustible, les chaudières et les cuisinières.

“Si nous pouvons commencer à remplacer le méthanol d’origine fossile par du méthanol dérivé du dioxyde de carbone, cela peut au moins commencer à faire partie d’une approche chimique à carbone négatif pour fabriquer des carburants et des produits chimiques, par opposition au carbone positif en prenant simplement du gaz de synthèse. à partir de combustibles fossiles », a déclaré Heldebrant.

La conversion du dioxyde de carbone en méthanol ne consomme pas beaucoup d’énergie, a déclaré Jiang à CNBC. Mais il nécessite de l’hydrogène, qui lui-même nécessite de l’énergie pour être produit. Mais l’hydrogène peut être fabriqué dans des processus alimentés par des énergies renouvelables, a déclaré Jiang.

L’infographie de l’ours traversant le tunnel dans la montagne sert à représenter les gains d’efficacité réalisés dans la fabrication de méthanol à partir de la capture du carbone.

Graphique avec l’aimable autorisation de Nathan Johnson au Pacific Northwest National Lab

Que se passe-t-il avec le reste du dioxyde de carbone ?

Alors qu’un petit pourcentage du dioxyde de carbone pourrait être siphonné pour fabriquer un produit, comme le méthanol, le reste devra être séquestré. Selon Todd Schaef, un scientifique du PNNL qui travaille sur la séquestration, les volumes de dioxyde de carbone qui devront être séquestrés sont « stupéfiants ».

Généralement, la séquestration du dioxyde de carbone est beaucoup moins chère que sa capture en premier lieu. Plus de la moitié de la séquestration de dioxyde de carbone aux États-Unis sur terre est estimée à moins de 10 dollars la tonne, selon un rapport spécial sur l’utilisation et le stockage du carbone par l’Agence internationale de l’énergie.

Dans ses recherches, Schaef a injecté du dioxyde de carbone à 830 mètres dans le sous-sol de la Terre, où la géologie est une roche basaltique spécifique, et est revenu deux ans plus tard pour découvrir que le dioxyde de carbone a réagi avec la roche et s’est converti en carbonate, de façon permanente. le stocker sous terre.

“Ce dioxyde de carbone a réagi avec la roche et il s’est solidifié de sorte que le gaz n’existe plus”, a déclaré Schaef à CNBC. “Ces minéraux sont stables sur des échelles de temps géologiques. Des millions et des millions d’années.”

Todd Schaef (à gauche) et Casie Davidson (à droite) vus ici en train d’analyser la géologie du basalte, qui est un type de roche particulièrement favorable à la séquestration du carbone. Photo avec l’aimable autorisation d’Andrea Starr au Pacific Northwest National Lab.

Photo avec l’aimable autorisation d’Andrea Starr au Pacific Northwest National Lab.

Il existe également un argument d’aléa moral que certains militants du changement climatique avancent contre la technologie de capture du carbone : se concentrer sur l’élimination du dioxyde de carbone des émissions de combustibles fossiles, au lieu de les réduire et de les éliminer entièrement, retarde simplement la transition nécessaire.

C’est un “sujet délicat”, a reconnu Schaef. “Cela revient à presque toutes les conférences auxquelles je vais”, a-t-il déclaré.

Mais il dit qu’il est contre-productif de ne pas séquestrer le dioxyde de carbone qui a déjà été émis et continuera d’être émis aussi longtemps qu’il le faudra pour faire passer les infrastructures mondiales de leur mode de fonctionnement actuel à des processus plus respectueux du climat.

“Que vous vouliez l’admettre ou non, il y aura des pays qui utiliseront des combustibles fossiles”, a déclaré Schaef à CNBC. Alors que l’utilisation mondiale des centrales électriques au charbon est nettement inférieure à ce qu’elle était il y a quelques années, il existe encore plus de 2 400 centrales au charbon et une capacité supplémentaire au charbon est en construction dans plus de 189 centrales, selon un rapport de 2022 de le Moniteur mondial de l’énergie.

Aux États-Unis, où les sources d’énergie renouvelables, telles que l’éolien, l’hydroélectricité et le solaire, sont des composants essentiels du réseau énergétique, le gaz naturel est toujours utilisé, a déclaré Schaef à CNBC.

“Lorsque le vent ne souffle pas, lorsque les rivières ne coulent pas, lorsque le soleil ne brille pas, nous avons besoin d’un type d’option qui nous permet de garder les lumières allumées. Et je sais que c’est difficile pour certains de comprendre cela ou de réaliser que , mais nous devons avoir cette option à essence. Eh bien, nous pouvons séquestrer ce dioxyde de carbone. Nous pouvons le capturer et le séquestrer.

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