Des scientifiques de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ont montré comment un nouveau matériau membranaire à base de graphène peut réduire la consommation d’énergie et le coût du captage du CO₂ des centrales électriques et industrielles.
Le captage du carbone esessentiel pour les industries qui dépendent encore des combustibles fossiles, notamment les industries du ciment et de l’acier. Les centrales électriques au gaz naturel, les centrales au charbon et les cimenteries sont de fortes émettrices de CO₂, et la réduction des émissions passe par des systèmes de captage dédiés.
Aujourd’hui, la plupart des centrales utilisent des systèmes à base de solvants qui absorbent le CO₂, qui consomment beaucoup de chaleur, nécessitent des infrastructures importantes et sont coûteuses à exploiter.
Alternative plus compacte, fonctionnant à l’électricité, un système à membrane fonctionne comme un filtre ultrafin qui laisse passer certains gaz plus facilement que d’autres, séparant les molécules de CO₂ du reste des gaz de combustion. Mais beaucoup de membranes perdent de leur efficacité lorsque les concentrations de CO₂ sont faibles, ce qui est fréquent dans les centrales au gaz naturel.
Une étude menée à l’EPFL a analysé le fonctionnement à grande échelle d’un nouveau matériau membranaire, le graphène pyridinique, une feuille de graphène monocouche avec de minuscules pores qui favorisent le CO₂ par rapport aux autres gaz. Les chercheuses et chercheurs ont combiné des données de performance expérimentale avec des outils de modélisation des conditions réelles d’exploitation, telles que la consommation d’énergie et les flux gazeux. Ils ont étudié un large éventail de scénarios de coûts pour voir comment le matériau pourrait se comporter une fois déployé dans des usines. L’étude menée par Marina Micari et Kumar Varoon Agrawal, titulaire de la Chaire Gaznat (capture et valorisation de CO2) à l’EPFL a été publiée dans Nature Sustainability et s’appuie sur les recherches du groupe dans le développement de membranes en graphène évolutives.
« Alors que nous développons cette technologie, il est important de comprendre ses implications en termes de réduction de la consommation d’énergie et du coût du captage du carbone dans les différents secteurs concernés, explique le professeur. C’est précisément l’objet de ces travaux. »
La modélisation montre où la membrane est la plus performante
L’équipe a testé différentes membranes à base de graphène, dont la membrane de graphène pyridinique, dans plusieurs configurations industrielles.
Pour les centrales au gaz naturel, un système en trois étapes qui commence par enrichir le flux de CO₂ permet des coûts prometteurs, de l’ordre de 80 à 100 dollars par tonne, les meilleurs cas se situant à 60 à 80 dollars,des chiffres sont remarquables, car les membranes ont généralement des difficultés à traiter des gaz de combustion aussi dilués.
Dans les centrales au charbon, aux niveaux de CO₂ plus élevés, la forte sélectivité CO₂/N₂ de la membrane réduit la consommation d’énergie et amène les coûts dans la fourchette de 25 à 50 dollars par tonne.
Les cimenteries ont plus d’oxygène dans leurs gaz de combustion, ce qui rend la sélectivité plus difficile, mais la membrane atteint toujours des fourchettes de coûts similaires et reste stable dans les différents scénarios testés.
Dans les trois secteurs, la forte perméance de la membrane limite la surface requise, ce qui réduit l’empreinte de l’ensemble d’un système de captage. L’étude montre que le graphène pyridinique pourrait offrir une alternative compacte et potentiellement rentable au captage par solvant une fois développée à grande échelle. Elle indique également des domaines où le matériau pourrait encore être amélioré, en particulier sa capacité à distinguer le CO₂ de l’oxygène dans les gaz de combustion du ciment.
