Les start-up s'attaquent au changement climatique en extrayant le dioxyde de carbone de la mer


Dans le port de Los Angeles, en Californie, deux barges remplies de réservoirs et de canalisations offrent un cadre improbable pour ouvrir une nouvelle frontière dans la lutte contre la crise climatique. Les start-ups qui les gèrent font partie d’un effort croissant visant à exploiter la puissance de l’océan pour capter le dioxyde de carbone de l’air.

L’océan est un énorme puits de carbone, ayant absorbé environ 30 % du dioxyde de carbone que nous rejetons dans l’atmosphère. Cependant, la vie marine paie déjà un prix terrible pour les changements qui en résultent dans la chimie des océans. Le dioxyde de carbone réagit avec l’eau de mer pour former de l’acide carbonique, qui à son tour se dissocie en ions bicarbonate et hydrogène. Plus le dioxyde de carbone est dissous, plus les ions hydrogène sont chargés positivement. Cela entraîne une augmentation de l’acidité qui, à son tour, peut dissoudre les coquilles et les squelettes des créatures marines.

Captura, une entreprise dérivée du California Institute of Technology, et Equatic, de l'Université de Californie à Los Angeles, ont tous deux des projets audacieux pour lutter contre le changement climatique en éliminant le dioxyde de carbone des océans de la planète et en le séquestrant. Ils sont convaincus que leurs systèmes électrochimiques finiront par éliminer le dioxyde de carbone pour moins de 100 dollars (80 £) la tonne. Le ministère américain de l’Énergie vise 100 dollars la tonne pour l’élimination du carbone d’ici 2032. La rapidité avec laquelle ce jalon pourra être atteint dépendra de la rapidité avec laquelle la technologie pourra évoluer et des coûts futurs des énergies renouvelables, mais Equatic prévoit pouvoir y parvenir d’ici 2028. À titre de comparaison, Climeworks, qui possède une usine de captage direct de l'air de 4 000 tonnes par an en Islande, s'attend à pouvoir réduire ses coûts à environ 250 à 300 dollars la tonne d'ici la fin de la décennie.

Les technologies de capture des océans attirent déjà des investissements importants. Au cours de la dernière année, Captura a levé plus de 33 millions de dollars pour commercialiser sa technologie. Parmi les investisseurs figurent le géant énergétique norvégien Equinor, avec qui il développe une usine de 1 000 tonnes sur la côte ouest de la Norvège. L'usine testera le fonctionnement complet de bout en bout et le dioxyde de carbone capturé sera injecté sous le fond marin pour un stockage permanent. La première usine commerciale de Captura devrait éliminer 50 000 tonnes de dioxyde de carbone par an.

Les deux technologies sont des systèmes fermés, ce qui permet de mesurer avec précision la quantité de dioxyde de carbone capturée. Ceci est essentiel pour parvenir à une élimination du carbone à grande échelle. Une industrie se développe déjà, avec des entreprises qui achètent les déménagements à l'avance. Boeing, par exemple, a signé un accord de cinq ans avec Equatic pour acheter 62 000 tonnes de carbone éliminé et 2 100 tonnes d'hydrogène vert qui seront produites par ce procédé. Certaines estimations suggèrent que l'accord vaut au moins 50 millions de dollars.

Réduire la consommation d’énergie

En volume, l’eau de mer retient 150 fois plus de dioxyde de carbone que l’air, ce qui rend son élimination de la mer potentiellement plus efficace. Mais l'eau est plus lourde. «Le déménagement coûte plus cher, mais cela ne coûte pas 150 fois plus», déclare Steve Oldham, directeur général de Captura.

Mais les coûts énergétiques du pompage de l’eau de mer sont considérables. Le pompage de chaque mètre cube d’eau dans une usine de dessalement peut nécessiter environ 0,45 kWh d’électricité. Sur la base de la composition de l’eau de mer, Equatic estime qu’elle peut extraire 4,6 kg de dioxyde de carbone de chaque mètre cube d’eau. Cela impliquerait qu’une usine capturant 1 million de tonnes aurait besoin de 97 GWh d’énergie renouvelable, rien que pour pomper l’eau de mer. À l’avenir, il existera peut-être des moyens moins coûteux de déplacer l’eau, comme l’exploitation des marées ou des courants océaniques, mais pour l’instant, le processus reste énergivore et coûteux. La colocalisation d'une usine de captage de carbone à côté d'une usine de dessalement réduirait les besoins énergétiques des deux usines, mais seulement de 9 %, selon les études du laboratoire d'Equatic.

Captura et Equatic s'appuient sur des processus électrochimiques pour extraire le dioxyde de carbone. Et c’est là que se situe l’essentiel de leurs coûts énergétiques.

Le système d'Equatic capte le dioxyde de carbone sous forme de minéraux carbonatés et produit de l'hydrogène propre grâce à l'électrolyse de l'eau de mer. En ce qui concerne la formation de carbonates, Gaurav Sant, directeur de l'Institut pour la gestion du carbone à l'UCLA et co-fondateur d'Equatic, affirme que « nous imitons simplement ce que font les océans ».

L'électrolyse consomme 80 à 90 % des besoins énergétiques totaux d'Equatic. «Même si vous déplacez une très grande quantité d'eau, l'électrolyse consomme beaucoup plus d'énergie.» C'est essentiellement l'éléphant dans la pièce », ajoute-t-il.

À partir d'un premier système de laboratoire, ils ont réduit les besoins énergétiques globaux du processus de plus de 10 %, à environ 2 MWh/tonne de dioxyde de carbone capturé. Il faudra peut-être supprimer quelque 10 gigatonnes d’émissions pour rester dans les limites de l’Accord de Paris, ce qui implique que 20 000 TWh d’électricité renouvelable seraient nécessaires d’ici 2050 pour les suppressions par cette seule voie. Les États-Unis ont produit 974 TWh d’électricité renouvelable en 2022.

Équatique

De l’autre côté de l’équation, le procédé Equatic produit également de l’hydrogène. La production autonome par les électrolyseurs actuels nécessite entre 42 et 65 kWh/kg d'hydrogène et un approvisionnement en eau douce. Cependant, de l'énergie sera nécessaire pour comprimer et transporter l'hydrogène produit, à moins qu'il ne soit utilisé dans une pile à combustible pour alimenter le système.

Les électrodes développées par Equatic se présentent sous la forme de feuilles pour un contact de surface maximal avec l'eau de mer et sont constituées d'alliages courants et de petites quantités de métaux du groupe du platine. Normalement, l’électrolyse de l’eau de mer entraînerait la production de chlore, mais les chercheurs peuvent désormais supprimer sa formation. «Il s'agit d'une avancée majeure», déclare Sant. «Nous avons consacré beaucoup de temps et d'efforts à l'ingénierie et à la conception des électrodes pour permettre au processus Equatic d'être aussi économe en énergie que possible, mais également pour ouvrir la voie à l'électrolyse directe de l'eau de mer pour la production d'hydrogène.»

Chimie des carbonates

Pour capter le dioxyde de carbone, le système profite de l’abondance d’ions magnésium et calcium dans l’eau de mer. Ceux-ci lient le dioxyde de carbone à la cathode pour produire du carbonate de calcium et des carbonates de magnésium hydratés, piégeant ainsi le dioxyde de carbone présent dans l’eau de mer. Ceux-ci peuvent être continuellement « grattés » du treillis de l’électrode. L'air est ensuite barboté à travers le courant d'eau de mer alcalin et appauvri en dioxyde de carbone, de sorte qu'une plus grande quantité de dioxyde de carbone soit éliminée de l'atmosphère.

A l'anode, le flux acide d'eau de mer doit retrouver son alcalinité avant de pouvoir être renvoyé à la mer. Cela peut être fait en ajoutant des minéraux abondants tels que l'olivine. L’altération côtière dépose des minéraux dans l’océan, contribuant ainsi à restaurer l’alcalinité, mais les océans absorbent aujourd’hui le dioxyde de carbone à un rythme plus rapide que ce processus naturel ne peut le compenser. L'ajout de minéraux alcalins est poursuivi par d'autres sociétés, mais le calcul de la réduction du dioxyde de carbone qui en résulte est semé d'incertitudes.

Le simple retour des carbonates minéraux dans l’océan évite les coûts de compression et de transport liés à la séquestration du carbone. Bien qu'Equatic puisse « simplement » accélérer un processus naturel, personne ne sait dans quelle mesure il peut être accéléré sans impact négatif sur les écosystèmes. On estime que les profondeurs océaniques stockent déjà quelque 37 000 Gt de carbone. «Notre position est de réaliser des évaluations d'impact environnemental très détaillées, de pouvoir étudier exactement ce qui se passe dans les moindres détails et d'obtenir davantage d'informations au fur et à mesure. [we] allez-y, dit Sant.

Alternativement, les minéraux carbonatés pourraient être utilisés dans la construction ou pour consolider les côtes affectées par l’élévation du niveau de la mer, même si leur transport depuis l’usine nécessiterait de l’énergie.

Adoucir le captage du carbone

Dans le processus Captura, l'eau de mer filtrée circule constamment dans l'usine. Surtout, pour réduire la consommation d’énergie, seulement 0,5 % de l’eau de mer prélevée passe par l’étape d’électrodialyse. Il est d'abord ramolli (pour éliminer les ions magnésium et calcium), puis passé à travers une pile de membranes électrifiées. Les matériaux sont secrets pour le moment, mais Oldham affirme qu’ils ne contiennent aucun élément de terres rares.

Les molécules d'eau se dissocient en ions hydroxyle et hydrogène. Le flux acide est réintroduit dans le flux principal d'eau de mer traversant l'usine, où il passe de pH8,1 à environ 4. Le changement d'acidité amène les ions bicarbonate à abandonner le dioxyde de carbone, qui est éliminé de l'eau via un gaz. –un contacteur à membrane liquide et une pompe à vide. Les tests suggèrent que les taux de capture sont d'environ 95 %. Pour améliorer encore l'efficacité du processus, Captura travaille avec l'industrie pour développer une membrane qui n'élimine pas l'oxygène de l'eau.

L'autre flux (alcalin) émergeant du processus d'électrodialyse est ensuite réintroduit dans l'eau pour neutraliser l'acidité et ramener le pH à environ 8,1. Étant donné que le dioxyde de carbone a été éliminé de l’eau sortant de la plante, il devrait être davantage extrait de l’atmosphère – à condition qu’il reste à la surface de l’océan. La quantité exacte qui sera absorbée par les eaux de surface reste encore à prouver définitivement.

Le processus Capture

Cependant, l’étape d’électrodialyse est très gourmande en énergie – absorbant environ 70 % des besoins totaux en énergie du processus. Captura n'a pas publié de chiffres, mais pour réduire la demande énergétique et réduire les coûts, elle prévoit de surconstruire l'unité d'électrodialyse afin qu'elle puisse fonctionner avec des énergies renouvelables hors pointe. En utilisant l’électricité hors pointe six heures par jour, suffisamment d’acide et de base pourraient être générés pour maintenir le processus pendant 24 heures. Un autre avantage est que cela devrait quadrupler la durée de vie des membranes. Les membranes actuellement disponibles dans le commerce ont une durée de vie de plus de 10 000 heures.

« Nous sommes assez proches de la limite thermodynamique dans les performances de l'électrodialyse », déclare Oldham, mais « nous continuerons à travailler sur la taille physique de la membrane – plus elle est grande, mieux c'est, mais il faut maintenir les performances ». Un coût énergétique supplémentaire sera engagé pour comprimer et transporter le dioxyde de carbone pour le stockage. Une analyse du cycle de vie évalue l’énergie nécessaire à la compression à 111 kWh/tonne de dioxyde de carbone capturé et l’énergie nécessaire à son injection dans un puits à 7 kWh/tonne.

Une analyse récente suggère que l’association de ces processus au dessalement limiterait le potentiel d’élimination du dioxyde de carbone à moins de 10 millions de tonnes par an. Cependant, de telles centrales se trouvent dans des régions comme le Moyen-Orient, où elles ont la possibilité d'exploiter à grande échelle l'énergie solaire pour les alimenter.

Pour Captura, la colocalisation est une « stratégie d'accès au marché ». Après cela, il lui faudrait faire évoluer la technologie de manière indépendante. Elle espère que son nouveau partenariat avec Equinor lui permettra de bénéficier de l'expérience de l'entreprise pétrochimique étatique dans la construction de structures telles que des plates-formes en mer.

Alors que l’industrie se concentre sur la mise à l’échelle et la démonstration que ses systèmes sont bénéfiques à la santé des océans, la question du coût demeure. « Il n'y a aucun doute sur la raison pour laquelle c'est important. Il ne fait aucun doute que cela doit être fait », déclare Sant. « La question est : comment allons-nous payer pour cela ? Et qui va payer pour cela ?

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