Principale cause du changement climatique, le dioxyde de carbone (CO2) est insaisissable. Difficile de capturer une si petite molécule dispersée dans l’atmosphère. Tout l'art réside pourtant de savoir le trouver. Inspirés par le chasseur à la recherche d’un point d’eau, les industriels vont à la source : les points d'émissions. En s'attaquant aux fumées industrielles, où le gaz réchauffant est très concentré, les procédés de captage et stockage du carbone (CSC) visent à les purifier, pour décarboner les activités lourdes et polluantes sans changer les process.
Un rêve ancien. En mer du Nord, le pétrolier norvégien Equinor s’y essaie depuis 1996 dans le champ de gaz de Sleipner, où il capture près d’un million de tonnes de CO2 chaque année. Mais 25 ans après, les initiatives en marche restent rares. Plusieurs centrales à charbon qui se sont lancées dans l’aventure ont même fermé leurs portes face aux difficultés. Les coûts énergétique et financier des procédés, l’absence de valorisation du CO2, et les verrous technologiques ayant limité l’attrait du CSC.
Toutefois, depuis quelques années, les industriels investissent dans le captage du CO2. Devant l’urgence climatique et les objectifs de réduction des émissions des Etats, ils y voient le moyen de s’attaquer à leurs émissions les plus dures à éviter, comme de verdir leur image. Total, le plus actif des acteurs français sur le sujet, y consacre 10 % de son budget R & D. Le pétrolier «veut être un architecte », affirme Philip Llewelyn, ancien directeur de recherche au CNRS nommé en 2020 directeur du captage, stockage et valorisation du carbone (CCUS) du groupe. «Nous regardons toutes les technologies de captage pour savoir quelles briques existent et aider à les améliorer afin de répondre à chaque situation.»
Car si les technologies sont bel et bien là, leur industrialisation pose encore problème. Dans la filière émergente du captage, du transport et du stockage du CO2, la première étape représente jusqu’aux deux tiers des coûts. Pour s’imposer, plusieurs solutions concurrentes se livrent à une course à la compétitivité et à l’efficacité dans l’environnement aussi hostile que divers des émissions industrielles. « Une usine sidérurgique ou une cimenterie émet bien plus qu’une papeterie ou une verrerie, remarque Florence Delprat-Jannaud, la responsable du programme captage et stockage du carbone (CCS) à l’Ifpen. Et au-delà des volumes, la concentration en CO2 des fumées comme la présence de soufre et d’oxygène aux côtés de ce dernier, ou la dilution dans l’azote et l’eau, varient beaucoup. » Les coûts des différentes solutions vont donc de quelques dizaines d’euros par tonne de CO2 capté à une centaine d’euros, selon la technologie, la concentration de CO2 dans les fumées – il est plus simple de capter le carbone émis par un haut-fourneau, où il est concentré à 30 %, que celui émis par une centrale gaz à cycle combiné, concentré à moins de 5 % – et les synergies industrielles développées.
Les solvants liquides mènent la danse
Partis avec de l’avance, les solvants liquides, qui emprisonnent le CO2 à leur portée, dominent. « Ils sont utilisés dans le lavage de gaz naturel depuis des décennies, ce qui en fait des solutions robustes et éprouvées, souligne Florent Guillou, chef de projet CCUS à l’Ifpen. Pour consommer le gaz naturel, il faut retirer les gaz acides, comme le sulfure d’hydrogène à base de soufre ou le dioxyde de carbone, contenus en grande quantité dans certains gisements, notamment en Asie du Sud-Est. » Au-delà des solvants spécialisés pour le gaz pétrolier, extrait sous pression et sans oxygène, l’industrie s’est tournée vers les amines. Des composés organiques résistants qui absorbent chimiquement la majorité du CO2 des fumées et que l’on retrouve dans les rares installations de captage à l’échelle industrielle.
Concrètement, les fumées chargées de CO2 montent dans des colonnes métalliques de plusieurs dizaines de mètres de hauteur, dans lesquelles le solvant descend le long d’un garnissage qui optimise la surface de contact. Une fois le solvant lesté de la précieuse molécule, vient la régénération : dans une seconde colonne, les amines chauffées recrachent le CO2 avant d’être réutilisées. Cette étape cache la métrique qui hante tous les spécialistes du CCS, la pénalité énergétique. La quantité d’énergie nécessaire pour capter le carbone, qui influe sur le coût du procédé et sur son impact final sur l’effet de serre.
C’est là que l’ingénierie joue un rôle crucial. Pour intégrer la chaleur fatale du site émetteur dans les procédés, pour concevoir des colonnes plus petites diminuant les investissements… ou même pour les remplacer par des machines tournantes exploitant la force centrifuge afin de favoriser les mélanges gaz-solvants. Dans le cadre du projet Jupiter 1000 à Fos-sur-Mer (Bouches-du-Rhône), qui vise à créer un fuel de synthèse à partir d’hydrogène et de carbone capté, l’ingénieriste Leroux & Lotz prévoit de faire passer les fumées dans des contacteurs membranaires composés de minuscules fibres creuses et remplis de solvant. Multipliant ainsi les zones d’échange du CO2.
Mais sur les paillasses, la chimie reste essentielle pour mettre au point des solvants à la fois efficaces, réversibles et peu polluants. Certains, comme la start-up C-Capture, développent des solvants sans amines. D’autres, comme Carbon Clean – qui a signé un accord de partenariat avec Veolia en 2017 et se développe en Inde – les conservent et cherchent à les stabiliser et à diminuer leur potentiel corrosif. Plus en amont, les liquides ioniques et les enzymes intéressent également la recherche.
Dans son centre de Solaize (Rhône), l’Ifpen teste des pilotes de toutes tailles pour arbitrer entre efficacité et nocivité. Car les solvants ont la fâcheuse tendance à se laisser entraîner par les flux d’air, au risque de contaminer l’atmosphère. À Dunkerque, le projet de démonstrateur 3D, qui doit démarrer cette année, rassemble, entre autres, Total, Axens et Arcelor autour du DMX. Un solvant aux amines formulé par l’Ifpen qui change de phase une fois chargé en CO2. Cela permet de ne régénérer thermiquement que les amines saturées, afin de diminuer la pénalité énergétique de 30 %, estime l’organisme de recherche.
Les solides en embuscade
Dans le rétroviseur des solvants, nombreuses sont les technologies en embuscade. Les sorbants solides sont des challengers sérieux. Parfois chers à produire, mais maniables, ils font valoir leur résistance aux composés parasites qui endommagent les solvants. «Les procédés utilisent des matériaux poreux, explique Christian Serre, chercheur en chimie au CNRS, à l’ENS et l’ESPCI (Paris). Ces derniers accrochent le CO2 dans leurs pores sans le faire réagir chimiquement, ce qui facilite la régénération. » Charbon actif, zéolites, metal-organic frameworks (ou MOF, des matériaux ordonnés à la structure hybride facile à moduler)… Les matériaux utilisables sont variés, formulés pour maximiser la surface de contact avec le CO2 et augmenter l’efficacité de captage pour chaque fumée.
Utilisés sous forme de billes ou au sein de gels poreux, ces solides nettoient les vapeurs industrielles. Une fois les conteneurs chargés en CO2, ils sont régénérés, par variation de chaleur ou de pression, tandis que d’autres prennent la relève. Mais des systèmes plus complexes voient le jour. Parmi les plus avancés, la start-up canadienne Svante a développé un MOF qui « contient la surface d’un terrain de foot dans l’équivalent d’un cube de sucre », vante son dirigeant, Claude Letourneau. Surtout, son dispositif prend la forme d’un tourniquet dans lequel les fumées entrent et délaissent leur CO2 en un point. Avant que de la vapeur d’eau ne pousse les matériaux à relâcher le gaz à effet de serre à l’autre extrémité de la rotation. Trente secondes après. Dans la centrale à gaz de Saskatchewan, au Canada, une roue de quatre mètres de diamètre capte 30 tonnes de CO2 par jour. Un pilote qui a intéressé Total et Lafarge, attirés par le coût attractif de cette solution capable de traiter des fumées intermittentes.
Membranes, cryogénie… les outsiders
Pour filtrer les fumées, d’autres font le choix des membranes. Polymères ou céramiques, ces filtres fonctionnent en continu et privilégient les molécules de CO2, qui se concentrent d’un côté. Pour cela, « une différence de pression suffisante pour entraîner le CO2 de l’autre côté de la membrane est nécessaire, ce qui consomme souvent de l’électricité », pointe Éric Favre, chercheur du CNRS au Laboratoire réactions et génie des procédés (LRGP) de Nancy. À l’échelle des démonstrateurs, les industriels se penchent sur la durabilité de ces barrières, fines et fragiles. Dans les laboratoires, on constate « un véritable feu d’artifice de recherches » autour des matériaux performants, ajoute Éric Favre, graphènes et nanotubes de carbone en première ligne. De quoi obtenir « des performances spectaculaires sur des échelles centimétriques, qui doivent encore se traduire à la taille industrielle ».
Aujourd’hui, les membranes permettent surtout des séparations grossières, concentrant le CO2 sans éliminer totalement les autres gaz. Mais pour le transport ou l’usage alimentaire du dioxyde de carbone capturé, le gaz obtenu doit être pur et exige des traitements supplémentaires. C’est la stratégie d’Air liquide, qui fabrique membranes et adsorbants tout en se démarquant via… la cryogénie. Car si le CO2 se condense à - 50 °C, le refroidir pompe de l’énergie et ne devient rentable que pour les fumées les plus concentrées. Le spécialiste des gaz industriels développe donc un système hybride, dans lequel membranes et adsorbants pré-concentrent le CO2 avant que le froid ne vienne dégager un flux pur. Un système testé depuis 2015 à Port-Jérôme, en Normandie, dans une usine d’hydrogène par reformage de gaz naturel. Cerise sur le gâteau : en plus de rendre l’hydrogène « bleu » en neutralisant son impact sur le climat, Air liquide améliore ses rendements de production en récupérant l’hydrogène résiduel qui s’échappait auparavant avec le CO2.
Changer les procédés
L’industrie cimentière, très émettrice de CO2 en raison de la décarbonatation des matières calcaires qui composent le ciment lors de sa production, cherche elle aussi des synergies. En Italie, le pilote Cleanker a été installé en octobre 2020 dans une usine de Buzzi Unicem. Il consiste à intégrer de la chaux aux fumées pour susciter une réaction chimique captant le CO2. Seul problème : la régénération de la chaux nécessite de faire brûler le composé obtenu et pourrait elle-même générer des fumées nocives pour le climat. Pour éviter cet écueil, les industriels utilisent une oxycombustion : une combustion à l’oxygène pur ayant l’avantage de dégager un flux de CO2 très concentré, qui peut alors être capturé avec un simple ventilateur.
L’idée est simple : modifier les procédés pour changer la composition même des fumées. Un défi auquel s’attaque l’oxycombustion, et la précombustion, qui utilise de l’hydrogène comme source de chaleur pour ne pas dégager de CO2. Deux approches qui requièrent de nouvelles machines, coûteuses et peu rentables pour des sites existants. Mais pour les futurs sites, les procédés se développent. À Lixhe, en Belgique, l’allemand HeidelbergCement produit un four séparant la production de chaleur, qui émet des fumées mixtes, et la production de ses matières premières, qui n’émet que du CO2. En Chine, l’Ifpen doit tester l’usage de matériaux solides pour capter et transporter l’oxygène nécessaire à l’oxycombustion, en collaboration avec Dongfeng et Total. La dernière coqueluche du domaine, enfin, provient des Etats-Unis, où la start-up Net Power expérimente son "cycle d'Hallam" : utilisant directement le CO2 issu de l’oxycombustion pour faire tourner une turbine et générer de l’énergie.
Reste encore à trouver des débouchés sûrs et propres pour le CO2, dont les impacts finaux seront très différents selon qu’il sera stocké dans des cavités salines, utilisé pour augmenter la pression dans les puits de pétrole, ou encore transformé en carburant de synthèse.
Pas de remède miracle
Géo-ingénierie dilatoire ou solution incontournable ? Le captage et stockage du carbone (CCS) fait débat. Mais il gagne peu à peu en crédibilité. En 2018, il figure dans la majorité des scénarios du Giec limitant le réchauffement à 2 °C d’ici à 2100. Dans des proportions variables. Couplé à la combustion de biomasse, il permet même des émissions négatives. Toutefois, la technologie est loin d’être un remède miracle à la fièvre de la planète. Nous captons aujourd’hui 40 millions de tonnes de CO2 par an, soit plus de 1 000 fois moins que les 43 milliards de tonnes émises en 2019. Un écart irratrapable. Limité par son coût et par l’ampleur des infrastructures et de l’énergie nécessaires, le CCS souffre aussi de la diffusion des sources à traiter, rappelle l’Ademe dans un rapport paru à l’été 2020. Impossible de l’installer sur chaque pot d’échappement. Quant à la majorité des usines françaises, elles sont trop petites ou éloignées des lieux de stockage pour rendre l’opération rentable. Sans compter les problématiques d’acceptation sociale. Un point de vue partagé par l’Agence internationale de l’énergie (AIE), qui estime, dans un scénario optimiste, que le captage du carbone pourrait représenter au mieux 15 % de l’effort de transition vers le « net zéro » en 2070. Autant de raisons pour réserver le CCS aux process les plus durs à décarboner sans ralentir l’effort de transition et de sobriété.
