Une grande avancée dans la technologie de capture du carbone pourrait fournir un moyen efficace et peu coûteux pour les centrales électriques au gaz naturel d'éliminer le dioxyde de carbone de leurs émissions de fumées, une étape nécessaire dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre pour ralentir le réchauffement de la planète et le changement climatique.

Développé par des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley, Laboratoire national Lawrence Berkeley et ExxonMobil, la nouvelle technique utilise un matériau hautement poreux appelé cadre métal-organique, ou MOF, modifié avec des molécules d'amine contenant de l'azote pour capturer le CO 2 et de la vapeur à basse température pour éliminer le CO 2 pour d'autres usages ou pour le séquestrer sous terre.

Dans les expériences, la technique a montré une capacité six fois supérieure à éliminer le CO 2 des fumées que la technologie actuelle à base d'amines, et c'était très sélectif, capter plus de 90 % du CO 2 émis. Le processus utilise de la vapeur à basse température pour régénérer le MOF pour une utilisation répétée, ce qui signifie que moins d'énergie est nécessaire pour la capture du carbone.

"Pour le CO 2 Capturer, stripping à la vapeur - où vous utilisez un contact direct avec la vapeur pour éliminer le CO 2 - a été une sorte de Saint Graal pour le terrain. C'est à juste titre considéré comme le moyen le moins cher de le faire, " a déclaré le chercheur principal Jeffrey Long, UC Berkeley professeur de chimie et de génie chimique et biomoléculaire et chercheur principal au Berkeley Lab. « Ces matériaux, au moins d'après les expériences que nous avons faites jusqu'à présent, semble très prometteur."

Parce qu'il y a peu de marché pour la plupart du CO capturé 2 , les centrales électriques en refouleraient probablement la majeure partie dans le sol, ou le séquestrer, où il se transformerait idéalement en roche. Le coût de l'épuration des émissions devrait être facilité par les politiques gouvernementales, comme le commerce du carbone ou une taxe carbone, pour inciter au CO 2 capture et séquestration, quelque chose que de nombreux pays ont déjà mis en œuvre.

Le travail a été financé par ExxonMobil, qui travaille à la fois avec le groupe Berkeley et la start-up Long, Matériaux de mosaïque inc., développer, mise à l'échelle et test des procédés de décapage du CO 2 des émissions.

Long est l'auteur principal d'un article décrivant la nouvelle technique qui paraîtra dans le numéro du 24 juillet de la revue Science .

"Nous avons pu faire la découverte initiale et, par des recherches et des tests, dériver un matériau qui, lors d'expériences en laboratoire, a montré le potentiel de non seulement capturer le CO 2 dans les conditions extrêmes présentes dans les émissions de fumées des centrales électriques au gaz naturel, mais pour le faire sans perte de sélectivité, " a déclaré le co-auteur Simon Weston, associé de recherche principal et chef de projet chez ExxonMobil Research and Engineering Co. « Nous avons montré que ces nouveaux matériaux peuvent ensuite être régénérés avec de la vapeur de qualité inférieure pour une utilisation répétée, fournissant une voie pour une solution viable pour la capture du carbone à grande échelle. »

Émissions de dioxyde de carbone par les véhicules à combustible fossile, les centrales électriques et l'industrie représentent environ 65 % des gaz à effet de serre responsables du changement climatique, qui a déjà augmenté la température moyenne de la Terre de 1,8 degrés Fahrenheit (1 degré Celsius) depuis le 19ème siècle. Sans diminution de ces émissions, les climatologues prédisent des températures de plus en plus chaudes, orages plus erratiques et violents, plusieurs pieds d'élévation du niveau de la mer et les sécheresses qui en résultent, inondations, les feux, famine et conflit.

"En réalité, du genre de choses que le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat dit que nous devons faire pour contrôler le réchauffement climatique, CO 2 la capture est une partie énorme, " Long a dit. " Nous n'avons pas une utilité pour la plupart du CO 2 qu'il faut arrêter d'émettre, mais nous devons le faire."

Décapage

Les centrales dépouillent le CO 2 des émissions de combustion aujourd'hui en faisant barboter les gaz de combustion à travers des amines organiques dans l'eau, qui lient et extraient le dioxyde de carbone. Le liquide est ensuite chauffé à 120-150 C (250-300 F) pour libérer le CO 2 gaz, après quoi les liquides sont réutilisés. L'ensemble du processus consomme environ 30 % de l'énergie produite. Séquestrer le CO capturé 2 le sous-sol coûte un supplément, bien que petit, fraction de cela.

Il y a six ans, Long et son groupe au Center for Gas Separations de l'UC Berkeley, qui est financé par le département américain de l'Énergie, découvert un MOF chimiquement modifié qui capture facilement le CO 2 provenant des émissions de fumées des centrales électriques concentrées, potentiellement réduire le coût de capture de moitié. Ils ont ajouté des molécules de diamine à un MOF à base de magnésium pour catalyser la formation de chaînes polymères de CO 2 qui pourraient ensuite être purgés par rinçage avec un courant humide de dioxyde de carbone.

Parce que les MOF sont très poreux, dans ce cas comme un nid d'abeille, une quantité dont le poids d'un trombone a une surface interne égale à celle d'un terrain de football, tous disponibles pour adsorber les gaz.

Un avantage majeur des MOF à amine est que les amines peuvent être modifiées pour capturer le CO 2 à différentes concentrations, allant des 12% à 15% typiques des émissions des centrales au charbon aux 4% typiques des centrales au gaz naturel, ou encore les concentrations beaucoup plus faibles dans l'air ambiant. Matériaux de mosaïque, que Long a co-fondé et dirige, a été créé pour rendre cette technique largement accessible aux centrales électriques et industrielles.

Mais le flux d'eau à 180 °C et de CO 2 nécessaire pour rincer le CO capturé 2 finit par chasser les molécules de diamine, raccourcir la durée de vie du matériau. La nouvelle version utilise quatre molécules d'amine - une tétraamine - qui est beaucoup plus stable à haute température et en présence de vapeur.

"Les tétraamines sont si fortement liées dans le MOF que nous pouvons utiliser un flux de vapeur d'eau très concentré avec zéro CO 2 , et si vous avez essayé cela avec les adsorbants précédents, la vapeur commencerait à détruire le matériau, " dit Long.

Ils ont montré que le contact direct avec de la vapeur à 110-120 C—un peu au-dessus du point d'ébullition de l'eau—fonctionne bien pour éliminer le CO 2 . La vapeur à cette température est facilement disponible dans les centrales électriques au gaz naturel, alors que le 180 C CO 2 -le mélange d'eau nécessaire pour régénérer le MOF modifié antérieur nécessitait un chauffage, qui gaspille de l'énergie.

Quand Long, Weston et leurs collègues ont d'abord pensé à remplacer les diamines par des tétraamines plus dures, cela semblait être un long plan. Mais les structures cristallines des MOF contenant des diamines suggèrent qu'il pourrait y avoir des moyens de connecter deux diamines pour former une tétraamine tout en préservant la capacité du matériau à polymériser le CO 2 . Quand Eugene Kim, étudiant diplômé de l'UC Berkeley, le premier auteur de l'article, créé chimiquement le MOF à ajout de tétraamine, il a surpassé le MOF ajouté à la diamine au premier essai.

Les chercheurs ont ensuite étudié la structure du MOF modifié à l'aide de la source lumineuse avancée de Berkeley Lab, révélant que le CO 2 les polymères qui tapissent les pores du MOF sont en fait liés par les tétraamines, comme une échelle avec des tétraamines comme barreaux. Calculs de la théorie fonctionnelle de la densité des premiers principes à l'aide du supercalculateur Cori du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley (NERSC), les ressources informatiques de la Molecular Foundry et les ressources fournies par le programme Berkeley Research Computing du campus ont confirmé cette structure remarquable que l'équipe de Long avait initialement envisagée.

"Je fais de la recherche à Cal depuis 23 ans maintenant, et c'est l'un de ces moments où vous avez ce qui semblait être une idée folle, et ça a fonctionné tout de suite, " dit Long.

Co-auteurs avec Long, Kim et Weston sont Joseph Falkowski d'ExxonMobil; Rebecca Siegelman, Henri Jiang, Alexandre Forsé, Jeffrey Martell, Philippe Milner, Jeffrey Reimer et Jeffrey Neaton de l'UC Berkeley; et Jung-Hoon Lee du Berkeley Lab. Neaton et Reimer sont également professeurs scientifiques principaux au Berkeley Lab.