Captage direct du CO2 dans l'air : l'option imposée

C'est la solution de dernier recours, celle qui prendra le relais du captage et stockage du carbone (CCS) au cours des prochaines décennies pour éliminer le CO2 en excès dans l’atmosphère. Le captage direct dans l’air (DAC) doit cependant extraire un gaz présent à de très faibles concentrations, autour de 400 parties par million. Un défi de taille, à l’image des premières usines pilotes avec leurs imposants murs de ventilateurs, installées en Islande par l’un des leaders dans ce domaine, Climeworks.

Largement décrié à ses débuts en raison de son énorme coût énergétique, le DAC a suscité un intérêt croissant ces deux dernières années. Il est notamment mis en avant pour les futurs besoins de l’aviation et du maritime en e-fuels qui, dès 2041, ne pourront être produits qu’à partir de CO2 atmosphérique ou biogénique selon la réglementation européenne. Aux États-Unis, l’Inflation reduction act, promulgué en 2022, a aussi joué le rôle d’accélérateur : le crédit d’impôt accordé par tonne de CO2 capté et stocké, auparavant de 50 dollars, est passé à 85 dollars pour le CCS et à 180 dollars pour le DAC. 

Le pays a d’ailleurs annoncé en 2023 qu’il allait allouer 1,2 milliard de dollars (soit le plus gros investissement jamais réalisé pour cette technologie, selon le gouvernement américain) à deux projets, l’un en Louisiane, l’autre au Texas. Destinés à capter chacun 1 million de tonnes de CO2 dans l’atmosphère, ils seront respectivement menés par le suisse Climeworks et son concurrent canadien Carbon Engineering. Ces entreprises ont réussi à s’imposer sur le marché grâce à deux technologies assez différentes, aujourd’hui plébiscitées pour le DAC. Carbon Engineering mise sur la voie liquide. Le CO2 de l’atmosphère est absorbé par une solution d’hydroxyde de potassium – de la potasse caustique – dans un contacteur gaz-liquide à grande surface d’échange. La réaction donne des carbonates de calcium qui sont ensuite conduits dans une unité de régénération chauffée à très haute température (900 °C). Cela permet de récupérer le CO2 pur. 

« L’avantage de cette technologie est que les réactifs utilisés sont extrêmement simples et peu coûteux puisque c’est de la potasse. En outre, on maîtrise bien la régénération des carbonates de calcium », explique Florent Guillou, chef de projet CCUS à l’Ifpen. Avant de nuancer : « C’est une technologie robuste, mais peu élégante, puisque pour capter 1 million de tonnes de CO2, on émet l’équivalent de 500 000 tonnes, à cause du gaz naturel brûlé pour la régénération. Et ces émissions de CO2 doivent être captées sur place et stockées. » Le tout pour une consommation énergétique d’environ 10 gigajoules (GJ), soit 2,7 MWh, par tonne captée.

Premiers déploiements

Climeworks a opté, au contraire, pour la voie solide, avec des amines fournies par Svante. « 80 % du module travaille en adsorption et 20 % en régénération. Tout est fait in situ et l’ensemble du module va être alternativement à froid pour capter le CO2 et à chaud pour régénérer », détaille Florent Guillou. Si cette technique, comme l’indique l’AIE, consomme entre 10 et 15 GJ pour capter une tonne de CO2, elle présente un meilleur potentiel d’amélioration et, surtout, la température pour la régénération est bien plus basse (100 °C). Ce qui permet à Climeworks d’utiliser la géothermie pour son site islandais au lieu de brûler du gaz naturel.

Malgré un bilan loin d’être idéal, ces deux technologies ont une marge de progression importante. Selon Lionel Dubois, coordinateur de recherche en capture et conversion du CO2 à l’université de Mons, en Belgique, « si le coût énergétique pour capter le CO2 de l’air est plus élevé que pour capter le gaz dans des fumées industrielles où il peut être 250 fois plus concentré, il n’est tout de même pas multiplié d’autant, mais seulement par 4 ou 5. » Une augmentation modérée grâce à la réactivité supérieure des matériaux et liquides employés pour le DAC.

Quoi qu’il en soit, ces premiers déploiements sont importants, juge Florent Guillou. « Les parcs de DAC de première génération ne seront certainement pas les plus efficaces, mais on ne pourra pas avoir de seconde et de troisième générations sans eux. Il ne faut pas attendre un perfectionnement de la douzième génération – quelle que soit la technologie – pour agir. Aujourd’hui, la nécessité est de déployer ce que l’on sait faire pour amorcer la courbe. Car plus on tarde, plus la pente est raide et plus l’effort devra être important. »

Une nécessaire diversification

La relève se prépare déjà, à travers « une cinquantaine de start-up sur la planète qui développent des concepts de deuxième et troisième générations », estime Sylvain Delerce, directeur de recherche associé à Carbon Gap. « La plupart des technologies de troisième génération reposent sur des processus exclusivement électrochimiques et n’ont besoin que d’électricité pour fonctionner. Elles parviennent déjà à diviser par deux ou plus les consommations énergétiques. » Et elles espèrent se rapprocher au plus près du minimum thermodynamique, estimé autour de 150 kWh par tonne de CO2 capté. « Plusieurs approches électrochimiques à TRL 4 à 6 passent aujourd’hui sous la barre des 700 kWh. Nous pensons qu’il est possible d’atteindre 300 kWh et nous y travaillons », précise Benjamin Tincq, partenaire et cofondateur du start-up studio Marble, dédié au secteur du climat.

Aucune de ces nouvelles générations n’est donc encore mature. « Cela peut en inquiéter certains, mais la route de développement technologique est claire sur chacune de ces méthodes, rappelle Sylvain Delerce. Certaines vont fonctionner, d’autres non, c’est pour cela qu’il faut diversifier. Je suis très confiant sur le fait que l’on puisse dégager les volumes attendus si on en a l’ambition. »

Industrie & Technologies a sélectionné trois de ces nouvelles générations de captage direct de CO2, développées par trois start-up.

Bloomineral s’inspire des organismes marins

Utiliser les déchets des cimenteries pour capter le CO2 atmosphérique : c’est l’idée de la start-up française Bloomineral, lancée en mars dernier. Sa fondatrice Caroline Thaler a décidé de miser sur la biominéralisation, processus par lequel des organismes sont capables de capturer le CO2 dissous dans l’eau et de le transformer en une forme solide et pérenne. Une dissolution favorisée par l’alcalinisation (l’augmentation du pH) de l’eau de mer due à l’altération de roches alcalines. « J’ai découvert que certains procédés industriels, comme ceux de l’industrie du ciment, généraient des déchets alcalins. J’ai imaginé de les utiliser pour booster la biominéralisation », raconte Caroline Thaler. En se dissolvant, ces déchets augmentent la dissolution du CO2 atmosphérique, ensuite capturé par des organismes capables de l’accumuler, comme le font les algues et les coraux. « Ces derniers utiliseront aussi certains minéraux contenus dans les déchets et les combineront au CO2 absorbé pour en faire des carbonates de calcium aux propriétés intéressantes, puisqu’ils seront notamment cémentants. Cela en fait une sorte d’additif permettant de diminuer la proportion de ciment utilisé dans le béton, tout en stockant le CO2 capturé de manière durable », détaille Caroline Thaler.

Concrètement, la solution proposée par Bloomineral prendra la forme de bassins ouverts de quelques dizaines de centimètres de profondeur, répartis sur quelques hectares et remplis d’eau de mer. Au fond de ces bassins, les organismes, dont l’espèce reste confidentielle, seront installés sur plusieurs étages. À la fin du processus, 80 % de l’organisme est minéralisé, et il n’y a plus qu’à le récolter. Ensuite, « il repousse et tout recommence », précise Caroline Thaler. Grâce à cette solution, Bloomineral ambitionne de capter en moyenne plusieurs milliers de tonnes de CO2 par site et par an, et de produire autant de matériau cémentant. Prochaine étape : un premier pilote, prévu idéalement pour 2026. 

Stathmos mise sur les MOF

Si l’électrochimie est dominante dans les nouvelles technologies de DAC, d’autres voies, comme les sorbants solides, en particulier de type MOF, sont explorées. Ces derniers agissent tels des tamis moléculaires, en ne laissant passer que le CO2. La start-up française Stathmos, créée en 2023, a choisi de miser sur eux. « Nos MOF sans amine ont une efficacité de capture cinq fois plus importante que les sorbants solides

déjà utilisés, chez Climeworks par exemple. Surtout, il n’est pas nécessaire de chauffer beaucoup pour les régénérer, puisqu’on est à des températures compatibles avec de l’énergie de type chaleur fatale », explique Amandine Cadiau, la PDG et fondatrice de Stathmos. Cette technologie permet de diviser par deux la consommation énergétique totale par rapport aux procédés de Climeworks et Carbon Engineering, « sachant que le dispositif utilise un tiers d’électricité et deux tiers de chaleur fatale ».

La start-up a conçu la Statbox, de la taille d’un conteneur maritime, contenant ses MOF et destinée à être déposée à proximité de hubs industriels ou de centrales nucléaires. Ces dernières sont particulièrement intéressantes pour Stathmos puisqu’elles génèrent à la fois de la chaleur fatale et de l’énergie bas carbone pour alimenter le dispositif. « Nous ambitionnons de fabriquer notre premier module captant 1 000 tonnes de CO2 à l’horizon 2026. Notre objectif est d’atteindre, avec nos futurs parcs de Staboxes, 2,5 millions de tonnes de CO2 capturées en 2030 », indique la PDG. 

RepAir joue la carte électrochimique

La start-up israélienne RepAir, fondée en 2020, est l’un des leaders de la voie électrochimique. « Notre procédé s’inspire des électrolyseurs à membrane échangeuse d’anions. Sous l’effet du courant électrique, des ions hydroxyde se forment d’un côté de la cellule, sur la cathode. Lorsque l’air entre, les ions hydroxyde réagissent avec le CO2 de l’air pour former des ions carbonates et bicarbonates. Ces ions chargés négativement sont ensuite les seuls à passer à travers la membrane du séparateur en direction de la deuxième électrode, identique à la première, où la réaction opposée aura lieu », détaille Jean-Philippe Hiegel, le directeur de la stratégie et de la croissance de RepAir. Les ions hydroxyde sont consommés par l’anode et du CO2 gazeux est relâché à l’issue de cette oxydation. Ces cellules ont vocation à être empilées à l’intérieur de modules contenant 200 à 300 cellules.

L’efficacité énergétique serait jusqu’à 70 % meilleure que celle des modules de Climeworks et Carbon Engineering – 600 kWh juste pour le captage, 700 kWh pour l’ensemble des opérations permettant de délivrer du CO2 gazeux pur à 98 % stockable ou utilisable. « C’est notre gros avantage : nous n’avons besoin que d’électricité, et dans des quantités moindres », se félicite le directeur. Les unités de RepAir pourraient à terme capter jusqu’à 1 million de tonnes de CO2 par an. Pour le moment, l’entreprise a construit un premier prototype d’une tonne par an, mis en service en octobre 2023 et qui a déjà fourni 5 000 heures de données. « Nous allons commencer la production en série de nos cellules d’ici au début de l’année prochaine, ce qui permettra le déploiement de nos premiers modules à la fin de l’année 2025 », espère Jean-Philippe Hiegel.