« La difficulté, explique Simon Roussanaly, chercheur à Sintef Energy Research, c’est qu’il faut trouver les bonnes combinaisons. Cela dépend des concentrations de CO2, des prix de l’électricité et de la chaleur. » Comme le remarque Lionel Dubois, coordinateur de recherche en capture et conversion du CO2 à l’université de Mons, en Belgique : « Ce qui est compliqué, c’est que le monde va vite, plus vite que la R&D. On donne l’impression de stagner, mais ce n’est pas la réalité. La recherche prend du temps, entre les tests en laboratoire et l’échelle industrielle. Ce qui est sûr, c’est que sur la base de nos développements et de la littérature, on voit qu’il y a une vraie marge de progression. » Petit à petit, les technologies progressent sur l’échelle TRL et certaines arrivent aux portes de la commercialisation.
L’idée est de trouver la solution la plus adaptée à un industriel donné, en tenant compte du volume de ses émissions, du type d’énergie dont il dispose (chaleur fatale, électricité ou un mix des deux) et de la place qu’il est prêt à lui dédier – le tout à des coûts soutenables. « Aujourd’hui, ce qui coûte cher à un industriel qui veut s’équiper, c’est le fait que chaque unité de captage proposée est fabriquée à façon », affirme Florent Guillou, chef de projet CCUS à l’Ifpen. Selon lui, un changement de philosophie est donc en train de s’opérer du côté de la R&D pour abaisser le seuil d’accès au captage du CO2, « en proposant des unités plus compactes et plus modulaires. La compacité mobilise moins de matière, ce qui en fait une source d’économies. » Avec une capacité standard, les modules peuvent être additionnés pour répondre aux besoins des industriels, tout en permettant des économies d’échelle. Alors quelles sont ces technologies qui cherchent à prendre la relève du classique captage aux amines et à quel stade de développement en sont-elles ? Petit tour d’horizon non exhaustif.
Des matériaux nanoporeux prometteurs
Dans la famille des matériaux innovants capables d’adsorber le CO2, les solides poreux MOF (metal organic frameworks) tiennent la vedette. Comme l’explique Christian Serre, directeur de recherche au CNRS, à la tête de l’Institut des matériaux poreux de Paris, ils constituent « une alternative aux solvants aminés. Ils ont déjà été étudiés par le passé à l’échelle du laboratoire, mais ont bénéficié d’un net regain d’intérêt ces dernières années. » Ils ont plusieurs avantages par rapport aux procédés utilisant des solvants liquides. D’abord, les économies d’énergie lors de la régénération, puisqu’ils n’ont besoin d’être chauffés qu’entre 50 et 100 °C – au lieu de 100 à 120 °C pour les amines. Ensuite, ce sont des matériaux particulièrement stables lors de cette étape, contrairement aux amines qui se dégradent par oxydation thermique dans l’air à une température de plus de 70 °C. Enfin, et à condition qu’ils ne soient pas eux-mêmes constitués de ligands aminés, leur impact environnemental est bien moindre.
C’est le cas notamment du MOF CALF-20, qui a fait l’objet d’une publication dans Science en 2021 et qui est synthétisé dans l’eau à température ambiante à partir de zinc et d’acide oxalique, tous deux très peu toxiques, pour un coût compris entre 20 et 30 euros par kilo. Ce MOF est le seul aujourd’hui produit à l’échelle de centaines de tonnes par le groupe chimique allemand BASF. « Cet article a eu un effet déclencheur pour les industriels, en démontrant que ces matériaux pouvaient non seulement être performants en termes de capacité de capture du CO2, avec une régénération très rapide, mais également qu’il était possible de produire les MOF à l’échelle industrielle avec la même qualité qu’à l’échelle du laboratoire. De plus, l’utilisation de ce MOF a été testée pour le procédé de capture, en conditions réelles, pendant des milliers de cycles, sans perte significative de performance », indique le spécialiste.
Le CALF-20 est utilisé par le canadien Svante, qui a développé des filtres sur lesquels sont déposés ces adsorbants. Les filtres sont ensuite installés dans des conteneurs placés dans des contacteurs circulaires dont la forme ressemble à un beignet, précise Claude Letourneau, le PDG de Svante. Ces contacteurs sont rotatifs, ce qui leur permet de capter le CO2 issu des fumées industrielles puis de régénérer les filtres en continu, au rythme d’une rotation par minute. « Ils sont divisés en trois zones distinctes, détaille le PDG. La première dans laquelle passent les fumées industrielles, préalablement refroidies à 40 °C, la seconde dans laquelle les filtres sont régénérés avec de la vapeur à basse pression et le CO2 pur libéré à 140 °C, et la dernière durant laquelle les filtres sont séchés avant de commencer un nouveau cycle à 40 °C. » Svante a développé deux types de contacteurs, de 14 et 24 mètres de diamètre, captant respectivement 500 et 2 000 tonnes de CO2 par jour.
L’entreprise a déjà installé deux unités de 4 mètres de diamètre au Canada, chez Cenovus, et aux États-Unis, sur un site du raffineur Chevron, captant 25 tonnes de CO2 par jour. « Nous avons plusieurs projets à l’étude au Canada et aux États-Unis, et plusieurs projets avec des papeteries, pour lesquels nous sommes en train de terminer des études d’ingénierie détaillée pour des usines de 145 000 tonnes par année, ajoute Claude Letourneau. Nous avons par ailleurs développé notre propre procédé de fabrication de taille commerciale complètement automatisée pour produire nos filtres et nous inaugurerons notre première usine à Vancouver en mai 2025. Elle aura la capacité de fournir les filtres nécessaires pour capter 10 millions de tonnes de CO2 par an. »
Cryogéniser pour mieux capter
D.R. Sur son site de Port-Jérôme, en Normandie, Air Liquide capte le CO2 émis lors de la production d’hydrogène grâce à la cryogénie qui permet de liquéfier le gaz. (© P.-E. Rastoin / Air Liquide)
« Les technologies cryogéniques, qui visent à refroidir fortement le CO2 présent dans les fumées, purement électriques, ont le vent en poupe », lance Lionel Dubois, coordinateur de recherche en capture et conversion du CO2 à l’université de Mons. « D’abord, en raison de la facilité : il suffit presque de “brancher la prise” pour que cela fonctionne. Pour certains industriels qui ne disposent pas de chaleur fatale sur leur site, nécessaire pour d’autres types de technologies, c’est un avantage considérable. L’autre raison est l’extrême pureté du CO2 obtenu, par rapport aux procédés aux amines. Pas besoin de purification, le CO2 peut être directement liquéfié ou injecté dans un réseau de transport. »
Dans ce domaine, Air Liquide joue le rôle de précurseur avec sa technologie Cryocap développée depuis 2006. Elle se décline en quatre produits couvrant des concentrations de CO2 allant de 15 à 95 %. Concrètement, le gaz ou les fumées contenant le CO2 sont refroidis à une température cryogénique, à laquelle le CO2 est le premier à se liquéfier. Il peut ainsi être récupéré. « Aujourd’hui, trois Cryocap sont installés ou en cours de développement, à Port Jérôme (Seine-Maritime), Rotterdam et Grandpuits (Seine-et-Marne). Air Liquide a aussi été sélectionné pour plus de dix projets en Europe et en Amérique », précise Richard Dubettier, son directeur des technologies cryogéniques. Des projets qui pourraient capter plusieurs millions de tonnes de CO2 par an.
Mais Air Liquide n’est pas le seul à se lancer à la conquête de ce marché. En France, la start-up Revcoo, créée en 2020, a conçu une technologie cryogénique avec désublimation, baptisée CarbonCloud. « On utilise une buse qui pulvérise en spray l’azote liquide, en fines gouttelettes, directement dans la fumée. Cela a pour effet de désublimer le gaz, c’est-à-dire qu’il passe directement à l’état solide, sous forme de flocons. Ces flocons sont ensuite séparés des gaz à l’aide d’un cyclone, puis liquéfiés », explique Hugo Lucas, le directeur général et cofondateur de Revcoo. L’unité standard devrait capter jusqu’à 30 000 tonnes par an – il suffira ensuite d’en combiner plusieurs pour augmenter la capacité. Avec CarbonCloud, Revcoo vise d’abord les petits émetteurs – jusqu’à 400 000 tonnes de CO2 par an – et des fumées contenant entre 10 et 20 % de CO2. « Cela représente 2000 sites en France, contre 50 sites au-delà de 500000 tonnes de CO2 par an. » Actuellement au TRL6, la start-up s’apprête à passer au TRL7 après avoir installé en octobre un démonstrateur industriel chez Eiffage. Entièrement automatisé, il sera opérationnel en continu toute l’année et pourra capter 1 000 tonnes de CO2 par an.
Des membranes pour augmenter les rendements
Divea La start-up suisse Divea a mis au point des membranes en graphène nanostructurées pour récupérer le CO2. La technologie membranaire est simple. (© Divea)
« Du côté gaz-gaz, c’est un peu le principe d’une filtration : on a une membrane qui laisse passer certaines molécules et pas d’autres. D’un côté, le flux s’appauvrit en CO2, de l’autre, il s’enrichit en CO2. L’avantage de cette technologie membranaire est son aspect modulaire :on peut additionner autant de modules membranaires que l’on souhaite pour séparer le CO2 des autres constituants », affirme Lionel Dubois. Son principal défaut, selon lui, est qu’elle doit être combinée avec une autre technologie, car il est difficile de récupérer à la fois beaucoup de CO2 et un niveau de pureté élevé.
Pour contourner ce problème, des start-up travaillent sur des membranes innovantes. Divea, une spin-off de l’École polytechnique fédérale de Lausanne lancée fin mai, travaille sur la commercialisation de membranes en graphène nanostructurées, épaisses seulement d’un atome. Elles sont constituées de micropores ayant la taille exacte des molécules de CO2, fabriqués en exposant du graphène à de l’ozone, un procédé que la start-up Divea est la seule à maîtriser. L’ensemble est peu énergivore – la seule dépense étant liée à la mise sous vide ou à la pression nécessaire pour « forcer » le CO2 à passer à travers la membrane. « Notre membrane, déjà testée et validée en laboratoire, est actuellement éprouvée dans un vrai flux industriel et a déjà démontré sa stabilité », souligne Karl Khalil, le cofondateur et directeur de Divea. Une première chaîne pilote de production est prévue pour fin 2025.
Mais la séparation gaz-gaz n’est pas la seule application de la technologie membranaire. Elle peut être intégrée dans une colonne d’absorption, pour séparer les deux phases d’un solvant, dont l’une est riche en CO2. C’est un axe de recherche du projet Imosycca du PEPR Spleen (Soutenir l’innovation pour développer de nouveaux procédés industriels largement décarbonés). « L’utilisation de contacteurs membranaires permet d’augmenter la compacité grâce à une surface d’absorption bien plus importante que dans une colonne classique, explique Jean-Christophe Remigy, professeur à l’université Paul-Sabatier, à Toulouse, et coresponsable du projet. Ces membranes sont en effet composées de fibres creuses d’une épaisseur de 380 microns équivalent à 6000 m2 de surface d’absorption par mètre cube, contre seulement 1000 m2 dans une colonne classique. » Ce qui, en termes de captage de CO2, équivaut à capter quatre à dix fois plus de CO2 pour un même volume. Le projet, commencé en 2022, a pour ambition d’amener cette technologie à un TRL4 d’ici à 2028-2029.
La quête de nouveaux solvants
Si pour le moment, le procédé aux amines est la technologie la plus mature en matière de solvants, les voies d’amélioration sont nombreuses et certaines ont déjà atteint un stade très avancé. C’est le cas du procédé DMX développé par l’Ifpen, qui utilise un solvant démixant. Sa particularité est de décanter en deux phases – seule la phase la plus riche en CO2 est régénérée. Cela permet d’économiser jusqu’à 30 % d’énergie par rapport aux solutions classiques. Autres avantages : sa stabilité démontrée sur plus de 6 000 heures et un taux de captage du CO2 autour de 90 %. Après un an d’essais concluants du pilote industriel sur le site d’ArcelorMittal à Dunkerque, il est prêt à être commercialisé.
À plus long terme, les chercheurs planchent sur des solutions aux solvants encore moins énergivores. Tel est l’objectif du projet Catalpa, qui fait partie du PEPR Spleen (Soutenir l’innovation pour développer de nouveaux procédés industriels largement décarbonés). « On s’intéresse à la façon dont on mobilise l’énergie, qui est la force motrice de la séparation du CO2 d’avec un solvant, explique Florent Guillou, le coordinateur pour l’Ifpen de l’axe décarbonation et intensification des procédés. Une voie consiste à regarder l’électrification du procédé de captage. L’idée est d’utiliser d’autres mécanismes activés par l’électricité pour faire la séparation du CO2, pour apporter de l’énergie différemment et, si possible, une énergie à faible empreinte carbone. Cela peut être de l’électrodialyse ou l’utilisation de micro-ondes. » « Nous explorons aussi divers milieux séparatifs, comme les solvants eutectiques, qui ont la particularité, quand on varie la température, de se séparer en deux phases. Le CO2 se retrouve préférentiellement dans l’une des deux phases, ce qui permet de chauffer à des températures moindres – inférieures à 100 °C – que celles nécessaires pour régénérer les amines », ajoute Daniel Broseta, professeur à l’université de Pau et des Pays de l’Adour et responsable du projet.
La conception de solvants plus verts, biosourcés et non toxiques est aussi au cœur d’Imosycca, autre projet du PEPR Spleen. Ce type de solvant est plus facile à opérer par un petit industriel. « Cela participe à la volonté d’abaisser le seuil d’accès au captage du CO2 », indique Florent Guillou. Ce projet porte aussi sur l’intensification des procédés. « En intensifiant le passage du CO2 dans le solvant, nous espérons gagner un ordre de grandeur sur le volume de la colonne à garnissage », poursuit le spécialiste. Cela devrait permettre d’obtenir des unités plus petites et plus modulaires.
