Un coin du désert d'Oman est recouvert d'un type de roche avec une soif inextinguible pour un gaz incolore et inodore vital à la vie sur Terre. Ce gaz est du CO2, et quand il réagit avec la péridotite, une roche abondante dans le manteau terrestre, c'est imbibé, formant un carbonate solide semblable au calcaire.

La péridotite omanaise en absorbe actuellement environ 10, 000 à 100, 000 tonnes de dioxyde de carbone par an, mais les scientifiques disent qu'avec un peu d'intervention humaine, il pourrait être accéléré pour absorber un huitième des 38 milliards de tonnes de CO2 émis par la combustion de combustibles fossiles dans le monde. Un gaz à effet de serre, Le CO2 s'accumule dans l'atmosphère terrestre, où il emprisonne la chaleur et élève la température moyenne mondiale, alimenter des conditions météorologiques extrêmes telles que des vagues de chaleur plus chaudes, sécheresses plus fréquentes, et des ouragans plus puissants. La concentration actuelle de CO2 est d'environ 400 ppm, le plus haut qu'il ait été au moins dans les 800 derniers, 000 ans.

Bien qu'il ne s'agisse que d'un des types de roches ayant des propriétés d'absorption du CO2, et une seule méthode pour réduire l'impact des émissions de CO2, la péridotite pourrait aider à atténuer les risques imminents posés par le changement climatique.

Les pionniers de la recherche sur la péridotite, Peter Kelemen et Juerg Matter, géologues de l'observatoire terrestre de Lamont-Doherty de l'université Columbia, découvert l'affinité de la péridotite pour la consommation de CO2 lorsqu'ils l'ont amenée en laboratoire pour déterminer son âge. Réalisant que la péridotite avait réagi avec le CO2 relativement récemment, ils ont commencé à conceptualiser à quoi pourrait ressembler la réaction.

Bien qu'il serait trop coûteux de déplacer la roche près des centrales électriques où elle pourrait absorber les émissions, les chercheurs suggèrent que le CO2 pourrait être canalisé dans le manteau terrestre chargé de péridotite par un processus similaire à la fracturation hydraulique. Cela pourrait ouvrir un dépôt géant pour le gaz qui ne dépendrait pas de l'emplacement, mais comporte des implications environnementales qui devraient être soigneusement prises en considération.

Solutions axées sur la nature

Les géologues ont compris depuis longtemps que les roches sont un important puits de carbone. L'altération des roches se produit lorsque le CO2 se dissout dans les gouttelettes d'eau de pluie, en ajoutant l'acidité nécessaire pour dissoudre les minéraux qui composent la roche. L'altération des roches retire chaque année environ un milliard de tonnes de CO2 de l'atmosphère.

"La compréhension de ces processus chimiques naturels peut conduire à des percées qui nous permettent d'utiliser et d'accélérer les processus qui réduisent le CO2 dans l'atmosphère, " dit Bradley Sageman, professeur et président des sciences de la terre et des planètes à Northwestern. "Des méthodes comme celles-ci qui sont aujourd'hui la technologie standard étaient considérées comme de la science-fiction dans le passé. Prenons l'exemple de la péridotite omanaise. Si nous pouvions exploiter cette réaction, nous avons un mécanisme potentiellement transformateur pour absorber le CO2 à grande échelle."

Certains des collègues de Sageman étudient la cinétique des réactions d'altération pour acquérir une compréhension fondamentale du cycle du carbone, la transformation circulaire du carbone entre les êtres vivants et l'environnement. Les utilisateurs naturels de CO2 comprennent les forêts, marécages, et les tourbières. Les scientifiques ont étudié ces puits de carbone et d'autres pour développer de nombreux processus artificiels produisant des effets similaires.

Deux types de séquestration artificielle couramment discutés sont le stockage océanique - le pompage de CO2 profondément dans l'océan - et la séquestration géologique - l'injection de CO2 profondément dans des réservoirs de pétrole et de gaz épuisés ou des gisements de charbon qui ne peuvent pas être exploités. Les scientifiques hésitent à poursuivre l'une ou l'autre de ces solutions de manière agressive par crainte de la stabilité des systèmes naturels perturbés et des effets potentiels sur la vie océanique.

Pour mieux comprendre la dynamique des solutions de stockage, Sageman et son équipe se penchent sur des périodes de l'histoire de la Terre caractérisées par des niveaux élevés de CO2 atmosphérique et de réchauffement. "Une grande partie du travail que nous faisons consiste à améliorer notre compréhension de la façon dont le système terrestre s'est comporté lors d'événements passés de réchauffement climatique. Cela devrait conduire à un meilleur cadre pour discerner ce qui peut arriver dans un futur monde en réchauffement, " il dit.

Alors que le captage et le stockage à long terme du CO2 suggèrent des solutions viables pour atténuer le CO2, les scientifiques considèrent également le gaz comme une ressource pour créer de l'énergie propre. Partout dans le monde, les chercheurs démontrent que le CO2 peut être un ingrédient clé dans de nombreuses technologies qui produisent des énergie neutre en carbone.

De telles technologies pourraient compléter les systèmes actuels basés sur les combustibles fossiles pour réduire les émissions, et finalement capter le CO2 de l'atmosphère pour aider à atténuer le changement climatique. Les entreprises, grandes et petites, dans des secteurs allant de l'énergie aux compagnies aériennes en passant par l'automobile, en prennent note.

Solutions de résistance industrielle

Des stratèges de l'industrie à tous les niveaux, des petites startups aux entreprises multinationales, cherchent à définir leurs rôles et opportunités dans un avenir énergétique propre. Ils recherchent des compétences complémentaires, les technologies, ou des technologues qui sont en train de développer des innovations techniquement réalisables, mais manque de vue sur le marché. Ils savent qu'avec le risque vient la récompense, et les pionniers n'attendent pas la solution parfaite à leurs besoins énergétiques; ils travaillent avec les technologues les plus brillants pour le créer.

Par rapport aux entreprises de nombreux autres secteurs, les services publics ne sont pas connus pour investir massivement dans la recherche et le développement, en s'appuyant plutôt sur une base de connaissances relativement statique. Perturber ce statu quo, Exelon, le plus grand service public réglementé du pays desservant 10 millions de consommateurs, investit de manière agressive dans des technologies qu'il peut transformer en produits destinés aux clients.

Exelon investit dans de nombreux projets en phase précoce et intermédiaire qui complètent ses services tout en réduisant son empreinte carbone, y compris les investissements dans l'énergie solaire, réservoirs de carburant, et piles. Un exemple, une société appelée NetPower, utilise le CO2 comme fluide de travail pour entraîner une turbine à combustion qui génère de l'électricité sans produire d'émissions. Le système produit également du CO2 de qualité pipeline qui peut être stocké ou utilisé dans des processus industriels, y compris un processus amélioré de récupération du pétrole où le CO2 est injecté dans un réservoir de pétrole pour augmenter la production.

En mars 2016, NetPower a inauguré une centrale de démonstration de 50 mégawatts à La Porte, Texas, dans le but de fonctionner aussi efficacement que les meilleures usines de gaz naturel d'aujourd'hui. Dans le cadre d'un programme de 140 millions de dollars, l'usine comprendra des progrès technologiques continus, un programme complet de tests et d'opérations, et le développement de produits commerciaux. Toshiba fournira une turbine à CO2 supercritique et une chambre de combustion pour le projet.

"Beaucoup de gens disent que le gaz naturel est un carburant relais pour réduire les émissions dans le secteur de l'électricité, mais parce que la plupart des usines de gaz naturel sont alimentées par des turbines qui reposent sur un cycle de vapeur traditionnel, ils ne peuvent pas produire de CO2 de haute qualité qui peut être réutilisé pour d'autres choses, " dit Gould. " En plus de cela, étant donné que les centrales NetPower n'ont pas besoin de vapeur pour entraîner leurs turbines, cela élimine également la consommation d'eau.

Alimenter la création de valeur

Comme NetPower, de nombreuses entreprises technologiques ont développé des processus pour aider les industries à réduire leur empreinte carbone, et dans certains cas, fabriquer de nouveaux produits dans le processus. Une telle entreprise, LanzaTech, fait des vagues dans le recyclage du carbone avec un processus biologique exclusif qui utilise un microbe pour convertir les émissions industrielles en carburants et produits chimiques utiles.

« Nous convertissons les émissions en une variété de nouveaux produits de valeur qui proviendraient autrement de matières premières, " dit Prabhakar Nair, Vice-président du développement commercial de LanzaTech.

Le processus de LanzaTech fonctionne avec une variété de microbes, permettant à un client de spécifier la production souhaitée - actuellement soit de l'éthanol ou du butanediol - et de profiter des conditions du marché.

Après l'ouverture de deux usines de pré-production en Chine, LanzaTech prévoit d'ouvrir sa première usine commerciale à grande échelle à Shanghai fin 2017. La société travaille également avec le plus grand producteur d'acier au monde, ArcelorMittal, pour mettre en œuvre un projet à l'échelle commerciale dans son aciérie phare en Belgique.

La clé du succès de l'entreprise, selon Nair, réside dans la synergie entre la technologie, partenaires industriels, et acheteurs de produits. Le service complet dans une installation de démonstration comprend la mise en relation des partenaires de l'industrie avec les acheteurs du sous-produit qui y est produit. Par exemple, LanzaTech a lié les producteurs d'acier aux raffineries locales qui sont tenues par la réglementation de mélanger de l'éthanol dans leurs mélanges de carburant.

"En servant de pont entre les industries qui ont un approvisionnement en matières premières et celles qui en ont besoin, et en faisant cela avec les émissions de déchets, nous mettons l'économie circulaire en mouvement, " dit Nair.

L'entreprise a récemment reçu 4 millions de dollars du Bureau des technologies bioénergétiques du département de l'Énergie des États-Unis pour concevoir et planifier une installation à l'échelle de démonstration utilisant les effluents gazeux industriels de la fabrication de l'acier pour produire trois millions de gallons de jets et de carburant diesel à faible teneur en carbone par an. Cela fait suite à un partenariat avec Virgin Atlantic, qui prévoit un vol d'essai en 2017 en utilisant du carburéacteur fabriqué à partir de l'éthanol à faible teneur en carbone exclusif de LanzaTech. LanzaTech estime que sa technologie est compatible avec 65 % des aciéries, et si elle est mise en œuvre, elle pourrait produire 15 milliards de gallons de carburéacteur par an, ou un cinquième du carburant d'aviation utilisé dans le monde.

La course à la raffinerie solaire

Imaginez que vous vous arrêtiez à la station-service demain, mais au lieu de choisir entre le sans plomb, plus, ou diesel, vous recherchez un carburant hautement efficace fabriqué uniquement à partir de la lumière du soleil, l'eau, et CO2.

Ces mêmes composants qui composent ce « carburant solaire » sont les trois mêmes choses que les plantes vivantes transforment en nourriture. Surnommé « la photosynthèse artificielle, " à grande échelle, ce processus pourrait franchir des obstacles majeurs en réduisant la dépendance aux combustibles fossiles.

Avec ses avantages, il n'est pas étonnant que la recherche sur les combustibles solaires ait décollé dans le monde entier, des centres au Japon et en Suède au Centre commun pour la photosynthèse artificielle (JCAP) en Californie, fondée par le département américain de l'Énergie en 2010. Avec un budget de 122 millions de dollars sur cinq ans, La mission de JCAP est de construire un prototype d'un système de combustibles solaires.

Les composants du système envisagés au JCAP sont assez basiques. Le système nécessite un matériau photovoltaïque pour absorber l'énergie lumineuse du soleil, qui est ensuite dirigé vers deux catalyseurs séparés pour abaisser l'obstacle énergétique à une réaction. Un catalyseur divise l'eau en protons et en oxygène et l'autre convertit le dioxyde de carbone et les protons en hydrocarbures, les principaux composants des carburants. Bien que ces processus soient actuellement possibles, ils présentent toujours des défis.

L'un est économique. Les matériaux utilisés à la fois dans le photovoltaïque et les catalyseurs sont coûteux, y compris des matériaux rares tels que l'iridium ou le platine, qui présente un défi d'évolutivité. L'autre est l'efficacité. Bien que dix fois plus efficace que la photosynthèse naturelle pour capter et convertir l'énergie solaire, l'efficacité la plus élevée enregistrée pour la photosynthèse artificielle n'est encore que de 10 pour cent. C'est moins de la moitié de l'efficacité des panneaux de silicium sur le marché aujourd'hui.

Alors pourquoi tout ce remue-ménage pour fabriquer des carburants à forte densité énergétique alors que nous disposons aujourd'hui de technologies renouvelables plus efficaces ? Sources d'énergie renouvelable, y compris solaire et éolien, ne peut être généré que par intermittence, lorsque le soleil brille ou que le vent souffle. Les carburants présentent une option viable pour le stockage d'énergie à l'échelle du réseau qui pourrait compenser cette intermittence et être facilement transportés là où ils sont nécessaires.

La densité énergétique des carburants est également environ 100 fois supérieure à celle des batteries les plus performantes, et de nombreux moyens de transport, y compris les voitures, navires, et les avions—ont déjà l'infrastructure pour fonctionner au carburant. Et lorsqu'il s'agit d'atténuer les effets du changement climatique, si ces carburants étaient fabriqués à partir de dioxyde de carbone capté dans l'air, le processus serait neutre en carbone et n'émettrait pas de nouveaux gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

Collaboration à l'échelle mondiale

Parce que de nombreuses questions restent sans réponse, JCAP a modifié son objectif de créer un système de combustibles solaires, au lieu de se concentrer sur l'obtention des principes fondamentaux. Pendant ce temps, d'autres scientifiques poursuivent une approche systémique globale.

Cette approche nécessitera la collaboration et l'ingénierie des systèmes, dit Michael R. Wasielewski, Clare Hamilton Hall Professeur de chimie et directeur du Centre Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER). « Les chercheurs ont des sous-systèmes qui peuvent fonctionner à un certain niveau de base, mais quand vous essayez de les intégrer, ce n'est pas homogène et donc pas commercialement viable. Vous avez besoin de scientifiques collaborant avec des ingénieurs pour résoudre les bogues et créer un système de travail complet, " dit Wasielewski.

A l'ANSER, un centre de recherche Energy Frontier du département américain de l'Énergie, Wasielewski travaille avec plus de 60 chercheurs pour développer une compréhension fondamentale des molécules, matériaux, et les méthodes requises pour créer des technologies beaucoup plus efficaces pour les combustibles solaires et la production d'électricité solaire. En 2013, Wasielewski a également fondé le Solar Fuels Institute (SOFI).

La SOFI a lancé un projet de démonstration en six phases en 2016 dans le but d'adopter une approche systémique pour développer les combustibles solaires. A la fin de l'année dernière, Les scientifiques de SOFI avaient réussi à produire du méthanol dans le laboratoire de Northwestern. « Le projet de démonstration SOFI a été vu comme un système dès le départ, " dit Wasielewski. " Nous allons devoir faire en sorte que cela fonctionne d'un bout à l'autre. Mais nous ne pouvons pas le faire seuls."

En tant que consortium mondial, SOFI a des partenaires universitaires et industriels du monde entier, des institutions universitaires qui s'étendent sur trois continents aux grandes multinationales comme Shell et Total. Toujours, SOFI recherche des collaborations dans des domaines très variés, y compris l'économie et la politique, travailler sur des stratégies de mise en œuvre.

"En général, " Wasielewski dit, « les scientifiques et les ingénieurs peuvent trouver plus d'une solution à un problème. Nous pouvons affiner un processus pour qu'il soit d'autant plus efficace, mais nous ne pouvons pas savoir quelles sont les priorités pour les clients du monde réel si nous ne les impliquons pas dès le début. C'est ce qui constitue une technologie de rupture."