L'activité humaine conduit désormais à l'équivalent de 40 milliards de tonnes de dioxyde de carbone émis dans l'atmosphère chaque année, nous mettant sur la bonne voie pour augmenter la température de la planète de 1,5 degré Celsius par rapport aux niveaux préindustriels d'ici 2040. Selon le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), nous devons limiter le réchauffement climatique à 1,5 degré Celsius pour éviter les impacts les plus dangereux du changement climatique.

De plus en plus, les scientifiques reconnaissent que les technologies d'émissions négatives (NET) pour éliminer et séquestrer le dioxyde de carbone de l'atmosphère seront un élément essentiel de la stratégie d'atténuation du changement climatique. Laboratoire national Lawrence Berkeley (Laboratoire Berkeley), un laboratoire de recherche pluridisciplinaire du Département de l'Energie, poursuit un portefeuille de technologies à émissions négatives et de recherches connexes. Celles-ci vont de la séquestration géologique et terrestre, à la conversion en bioproduits, aux réacteurs thermiques pour combustibles hydrogène.

Une technologie prometteuse en cours de développement pour les NET est la capture du carbone à l'aide d'un matériau appelé MOF, ou charpente métallo-organique. Jeffrey Long, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et également professeur au Collège de chimie de l'UC Berkeley, travaille depuis plusieurs années avec ce matériau unique.

Q. Qu'est-ce qu'un MOF et quel rôle peut-il jouer dans la réduction du CO 2 émissions ?

Un MOF, ou charpente métallo-organique, est un type de matériau solide très poreux et se comportant comme une éponge, capable d'absorber de grandes quantités d'une molécule de gaz spécifique, comme le dioxyde de carbone. Ils ont environ 20 ans, et il y a eu une explosion de la recherche au cours de la dernière décennie alors que les scientifiques trouvent de plus en plus d'applications pratiques. La particularité des MOF est qu'ils ont des surfaces internes extrêmement élevées. Juste un gramme de MOF, une quantité similaire à un cube de sucre, peut avoir une superficie supérieure à un terrain de football. Par conséquent, s'il est bien conçu, une petite quantité de MOF peut éliminer une énorme quantité de CO 2 des gaz d'échappement produits par la combustion de combustibles fossiles.

Nous avons fait une découverte fortuite il y a quelques années que certains MOF peuvent capturer le dioxyde de carbone grâce à un mécanisme de type commutateur sans précédent. Nous avons encore optimisé le matériau pour une élimination efficace du CO 2 d'un conduit de fumée de centrale électrique avant que le gaz ne pénètre dans l'atmosphère. Nous avons montré que la capture et la libération de dioxyde de carbone du MOF pouvaient être accomplies en utilisant des changements de température beaucoup plus faibles que ceux requis pour d'autres technologies, ce qui lui donne un gros avantage par rapport aux moyens conventionnels de capter le CO 2 . (Le CO adsorbé 2 peut ensuite être utilisé dans d'autres produits.) Cette stratégie élimine le besoin de détourner des produits de grande valeur, vapeur à haute température loin de la production d'électricité, évitant une forte augmentation du coût de l'électricité. Au cours de ces efforts, nous avons également montré que des variantes des MOF pourraient être efficaces pour l'élimination du CO 2 d'autres mélanges gazeux, dont le biogaz, gaz naturel, et même directement de l'air.

Pour la capture directe de l'air, Les MOF sont la meilleure façon que nous ayons de le faire à mon avis. Pour la partie captage du carbone du BECCS (ou bioénergie avec captage et stockage du carbone, une technologie émergente d'émissions négatives), où vous cultivez essentiellement des arbres ou des cultures, en les brûlant pour le carburant, puis capter et séquestrer ce CO 2 , Je pense que les MOF pourraient également mieux faire la partie capture que tout autre matériau.

Q. Cela semble très prometteur. Quel est le statut de cette technologie maintenant? Est-il utilisé commercialement?

Une start-up appelée Mosaic Materials (dans laquelle j'ai un intérêt financier) a été créée en 2014 pour poursuivre la production commerciale de MOF pour divers CO 2 processus de séparation. Au Berkeley Lab, nous menons un projet financé par le National Energy Technology Laboratory (NETL) dans lequel nous travaillons avec Mosaic Materials et une société d'ingénierie canadienne appelée Svante pour réaliser une démonstration pilote de gaz de combustion de centrale électrique au charbon.

Ici, l'utilisation du MOF dans un système de lit rotatif unique permet d'obtenir des temps de cycle de capture-libération rapides et une consommation d'énergie réduite. Finalement, il est envisagé que le déploiement commercial à grande échelle d'une telle technologie pourrait entraîner une réduction spectaculaire des coûts et de l'énergie associés à la capture du carbone, car il devient nécessairement mis en œuvre à travers le monde.

Autre part, Les MOF sont utilisés dans le commerce pour le stockage en toute sécurité d'autres gaz dangereux. Pour le captage du CO2, Je dirais qu'ils sont maintenant sur le point d'être prêts pour un déploiement commercial.

Q. Si tel est le cas, alors quelles recherches supplémentaires sur les MOF sont nécessaires ?

Nous devons réduire considérablement le coût de la capture directe de l'air. C'est très cher à faire maintenant. Il y a déjà des entreprises qui le font - elles construisent des unités avec des ventilateurs soufflant de l'air à travers des appareils contenant des matériaux poreux - mais les matériaux utilisés ne sont pas très efficaces, rendant les unités extrêmement coûteuses à exploiter. Le coût de l'élimination du CO 2 avec une telle technologie est actuellement de l'ordre de 500 $ à 1 $, 000 par tonne. Nous devons concevoir des matériaux plus performants pour aider à réduire le coût en dessous de 100 $ la tonne.

Le principal problème derrière ce coût élevé est la quantité d'énergie nécessaire pour régénérer l'adsorbant, c'est-à-dire pour libérer le CO 2 sous forme pure afin que le matériau puisse ensuite être utilisé à nouveau pour capturer plus de CO 2 . Ici, nous pensons que le mécanisme d'adsorption coopérative accessible dans les MOF pourrait réduire considérablement les besoins en chaleur et en vide pour la régénération.

Autre considération, bien que, est l'énergie nécessaire pour souffler de l'air. Si vous avez un flux d'air entrant, cela représente 410 parties par million de CO 2 , l'une des difficultés est que la plupart des matériaux peuvent en éliminer une petite quantité et réduire le CO 2 concentration à, dire, 300 ppm, capter 25 % du CO 2 . C'est ce qu'on appelle le taux de capture. Et puis pour capturer plus, vous devez essentiellement faire circuler plus d'air à travers le matériau pour le remplir.

Mais avec un taux de capture de, dire, 90% vous pourriez réduire le CO 2 concentration à 40 parties par million en un seul passage. Cela signifie que vous soufflez beaucoup moins d'air pour éliminer le CO 2 et donc économiser de l'énergie.

L'un de nos objectifs de recherche est de développer des matériaux à haute capacité, un taux de capture élevé, cinétique rapide pour le CO 2 adsorption, et une température de régénération basse, tout en limitant également la co-adsorption de l'eau afin de ne pas gaspiller d'énergie sur sa désorption si vous n'en avez pas besoin. La cinétique signifie à quelle vitesse le CO 2 est absorbé par la matière.

Je pense qu'il y a un moyen de descendre en dessous de 100 $ par tonne de CO 2 retiré de l'air. Il y a encore beaucoup de recherches nécessaires pour y arriver. Nous devons vraiment repenser certaines des façons dont les matériaux sont conçus et comprendre comment manipuler des choses comme le delta-S (entropie) pour le CO 2 adsorption, de sorte que moins de chaleur est nécessaire pour le CO 2 Libération.