« Direct Air Capture » repensé

Jusqu’à présent, l’élimination directe du CO₂ de l’atmosphère était un processus complexe, gourmand en énergie et coûteux. Les chercheurs de l’Empa adoptent donc une approche totalement nouvelle : au lieu de piéger le gaz à effet de serre pendant une longue période dans des matériaux filtrants volumineux, des revêtements extrêmement fins sont censés absorber puis rejeter le CO₂ en quelques secondes, ce qui permet de réduire considérablement la consommation d’énergie et de matériaux.

Source du texte: Empa, rédaction Domotech

Filtrer le CO₂ directement dans l’air est considéré comme un élément clé sur la voie vers la neutralité carbone. Les technologies dites de « capture directe de l’air » (Direct Air Capture) utilisent pour cela des ventilateurs qui soufflent de grands volumes d’air à travers des matériaux filtrants poreux. Le dioxyde de carbone reste alors piégé dans l’adsorbeur. Celui-ci est ensuite séparé et chauffé – souvent sous vide et à l’aide de vapeur d’eau – afin que le CO₂ puisse être libéré et « récupéré ». Ce procédé fonctionne, mais il est complexe, énergivore et coûteux : la concentration de CO₂ dans l’air n’est que d’environ 430 ppm (« parts per million ») – une concentration très faible pour le captage, mais déjà nettement trop élevée pour le climat. Il faut donc faire circuler d’énormes volumes d’air pour récupérer des quantités significatives de ce gaz à effet de serre.

La nouvelle approche de l’Empa se distingue donc délibérément des procédés existants. Elle ne mise pas sur une capacité de stockage aussi élevée que possible par cycle, mais sur la vitesse. « Nous captons nettement moins de CO₂ par passage et compensons cela par des cycles plus rapides », explique Sandra Galmarini, chercheuse à l’Empa. Au lieu de plusieurs minutes, un cycle devrait durer moins d’une seconde.

Un revêtement mince plutôt que des filtres poreux

Cela devrait être rendu possible grâce à des revêtements ultra-fins composés de matériaux contenant des amines. Contrairement aux matériaux filtrants classiques, ceux-ci n’absorbent pas le CO₂ en profondeur, mais le fixent directement à leur surface. « Si l’on réduit le matériau adsorbant à une surface ou à un volume très faible, la quantité de CO₂ fixée par cycle est certes moindre, mais le processus peut être considérablement accéléré grâce à la faible masse thermique », explique Dirk Hegemann, chercheur à l’Empa. L’avantage : lors de la libération du CO₂, la quantité de matériau à chauffer est nettement inférieure à celle requise par les adsorbeurs classiques. Cela réduit la consommation d’énergie par molécule de CO₂ captée. Parallèlement, ce sont précisément ces fines couches, qui peuvent être rapidement chauffées puis refroidies, qui permettent les alternances rapides entre absorption et libération.

Selon les chercheurs de l’Empa, cette nouvelle approche peut être illustrée par l’analogie d’un tapis roulant : une surface recouverte d’un revêtement mince se déplace en continu – par exemple sur des cylindres rotatifs – à travers deux zones distinctes. D’un côté, l’air ambiant s’écoule et le CO₂ se dépose à la surface. De l’autre côté, le revêtement est chauffé et soumis à une pression réduite, ce qui permet au CO₂ d’être à nouveau libéré et de s’accumuler. La surface est alors prête pour le cycle suivant. Un avantage décisif réside dans le fait que l’adsorption et la désorption, bien que séparées dans l’espace, sont reliées de manière continue par le matériau en mouvement. Pour absorber le CO₂, il faut de grands volumes d’air et suffisamment d’espace pour que l’air puisse circuler autour du matériau. Pour la libération, en revanche, un volume de gaz aussi faible que possible est avantageux, car cela nécessite moins d’énergie pour créer le vide et le chauffage.

Un système modulaire prometteur

L’idée est née dans le cadre de l’initiative de recherche à grande échelle « Mining the Atmosphere ». Dans ce cadre, des chercheurs de l’Empa issus des équipes de Sandra Galmarini, Dirk Hegemann, Dorina Opris et Manfred Heuberger ont étudié différents revêtements ultra-minces et réalisé les premières simulations d’écoulement et de processus. Les résultats ont montré qu’une absorption rapide du CO₂ pourrait en principe être possible et compétitive. Cependant, les moyens expérimentaux permettant de mesurer effectivement les processus décisifs en fractions de seconde font encore défaut. La priorité est donc d’abord donnée au développement d’une nouvelle plateforme de mesure. Grâce à celle-ci, les chercheurs souhaitent observer pour la première fois à quelle vitesse le CO₂ est fixé sur des couches ultra-minces, puis libéré à nouveau. « À partir de ces données, nous voulons montrer si nous parvenons à obtenir suffisamment de CO₂ par unité de volume et de temps pour rivaliser avec les technologies actuelles », explique Sandra Galmarini. Alors que Dirk Hegemann se consacre à la fonctionnalisation des surfaces par revêtement au plasma, une installation d’essai s’avère finalement indispensable. Elle permettra notamment d’étudier la stabilité des couches minces sur de nombreux cycles, ainsi que les joints et les zones de pression à des vitesses de rotation élevées.

Bien que de nombreuses questions restent en suspens, les chercheurs y voient un grand potentiel. L’objectif final n’est pas seulement le captage du CO₂, mais une chaîne de processus globale s’inscrivant pleinement dans la logique du « Mining the Atmosphere », afin de produire à partir du carbone capturé des matériaux et des produits chimiques réutilisables.

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