Une méthode de modélisation informatique développée à la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh peut aider à accélérer l'identification et la conception de nouveaux matériaux de capture et de stockage du carbone à utiliser par les centrales électriques au charbon du pays. Les hypothétiques membranes à matrice mixte offriraient une solution plus économique que les méthodes actuelles, avec un coût prévu de moins de 50 $ par tonne de dioxyde de carbone (CO 2 ) supprimé.

Le groupe de recherche, dirigé par Christopher Wilmer, professeur assistant de génie chimique et pétrolier, en collaboration avec le co-investigateur Jan Steckel, chercheur au Laboratoire national des technologies énergétiques du département de l'Énergie des États-Unis, et AECOM, basée à Pittsburgh, ont publié ses conclusions dans le journal de la Royal Society of Chemistry Sciences de l'énergie et de l'environnement (« Prédiction informatique à haut débit du coût de la capture du carbone à l'aide de membranes à matrice mixte »).

« Les membranes polymères sont utilisées depuis des décennies pour filtrer et purifier les matériaux, mais sont limités dans leur utilisation pour le captage et le stockage du carbone, " a noté le Dr Wilmer, qui dirige le laboratoire de matériaux hypothétiques à la Swanson School. "Membranes à matrice mixte, qui sont des membranes polymères avec de petites, particules inorganiques dispersées dans le matériau, sont extrêmement prometteurs en raison de leurs propriétés de séparation et de perméabilité. Cependant, le nombre de polymères et de particules inorganiques potentiels est important, et donc trouver la meilleure combinaison pour la capture du carbone peut être intimidant."

Selon le Dr Wilmer, les chercheurs se sont appuyés sur leurs recherches approfondies sur les structures métallo-organiques (MOF), qui sont des matériaux cristallins hautement poreux créés via l'auto-assemblage de métal inorganique avec des lieurs organiques. Ces MOF, qui peuvent stocker un volume de gaz plus important que les réservoirs traditionnels, sont très polyvalents et peuvent être fabriqués à partir d'une variété de matériaux et conçus sur mesure avec des propriétés spécifiques.

Le Dr Wilmer et son groupe ont exploré les bases de données existantes de MOF hypothétiques et réels pour leurs recherches, résultant en plus d'un million de membranes matricielles mixtes potentielles. Ils ont ensuite comparé la perméation au gaz prévue de chaque matériau avec les données publiées, et les a évalués sur la base d'un processus de capture en trois étapes. Des variables telles que le débit, fraction de capture, les conditions de pression et de température ont été optimisées en fonction des propriétés de la membrane dans le but d'identifier des membranes à matrice mixte spécifiques qui produiraient un coût de capture du carbone abordable. Les implications potentielles pour la recherche du groupe Wilmer sont énormes. Bien que les centrales électriques au charbon aux États-Unis ne représentent actuellement que 30 % du portefeuille énergétique du pays, en 2017, ils ont contribué la plus grande part de 1, 207 millions de tonnes de CO 2 , ou 69 % du total des émissions de CO liées à l'énergie aux États-Unis 2 émissions de l'ensemble du secteur de l'électricité aux États-Unis. (Source :U.S. Energy Information Administration.)

"Notre modélisation informatique des MOF hypothétiques et réels a abouti à une nouvelle base de données de plus d'un million de membranes matricielles mixtes avec le CO correspondant 2 capter les performances et les coûts associés, " a déclaré le Dr Wilmer. " D'autres analyses technico-économiques ont donné 1, 153 membranes à matrice mixte avec un coût de capture du carbone inférieur à 50 $ par tonne enlevée. Ainsi, le potentiel existe pour créer un moyen économiquement abordable et efficace de CO 2 capter dans les centrales électriques au charbon du monde entier et lutter efficacement contre une source importante de dioxyde de carbone généré par les combustibles fossiles dans l'atmosphère. »