L'aspiration du CO2 de l'atmosphère peut-elle vraiment fonctionner ?

Le physicien Peter Eisenberger s'attendait à ce que ses collègues réagissent à son idée avec scepticisme. Il prétendait, après tout, avoir inventé une machine capable de nettoyer l'atmosphère de son excès de dioxyde de carbone, transformant le gaz en carburant ou le stockant sous terre. Et le scientifique de l'Université de Columbia était conscient que nommer sa startup de deux ans Global Thermostat n'avait pas été exactement un exercice d'humilité.

Mais l'accueil du printemps 2009 avait été encore plus dédaigneux qu'il ne l'avait prévu. Tout d'abord, il s'est adressé à un comité spécial convoqué par l'American Physical Society pour examiner les moyens possibles de réduire le dioxyde de carbone dans l'atmosphère grâce à ce qu'on appelle la capture de l'air, ce qui signifie, essentiellement, le nettoyer du ciel. Ils ont écouté poliment sa présentation mais ont à peine posé des questions. Quelques semaines plus tard, il s'est adressé au National Energy Technology Laboratory du Département américain de l'énergie en Virginie-Occidentale à un public tout aussi sceptique. Eisenberger a expliqué que les recherches de son laboratoire impliquent des produits chimiques appelés amines qui sont déjà utilisés pour capturer le dioxyde de carbone concentré émis par les centrales électriques à combustibles fossiles. Cette même technologie à base d'amines, a-t-il dit, a également montré un potentiel pour la tâche beaucoup plus difficile et ambitieuse de capturer le gaz à l'air libre, où le dioxyde de carbone se trouve à des concentrations de 400 parties par million. C'est jusqu'à 300 fois plus diffus que dans les cheminées des centrales électriques. Mais Eisenberger a fait valoir qu'il avait une conception simple pour réaliser l'exploit de manière rentable, en partie à cause de la façon dont il recyclerait les amines. Cela n'a même pas été enregistré, se souvient-il. J'avais l'impression que beaucoup de gens se moquaient de moi.

CTO et co-fondateur Peter Eisenberger devant la machine de capture d'air de Global Thermostat.

Le lendemain, cependant, un responsable du laboratoire l'a appelé avec enthousiasme. Les scientifiques du DOE s'étaient rendu compte que des échantillons d'amines assis autour du laboratoire s'étaient liés au dioxyde de carbone à température ambiante - un fait qu'ils n'avaient pas beaucoup apprécié jusque-là. Cela signifiait que l'approche d'Eisenberger en matière de capture d'air était au moins réalisable, déclare l'un des chimistes du laboratoire du DOE, Mac Gray.

Cinq ans plus tard, la société d'Eisenberger a levé 24 millions de dollars d'investissements, construit une usine de démonstration fonctionnelle et conclu des accords pour fournir au moins un client avec du dioxyde de carbone récolté du ciel. Mais le prochain défi consiste à prouver que la technologie pourrait avoir un impact transformateur sur le monde, digne du nom de son entreprise.

La nécessité d'une machine à aspirer le carbone est facile à voir. La plupart des technologies d'atténuation du dioxyde de carbone ne fonctionnent que là où le gaz est émis en grandes concentrations, comme dans les centrales électriques. Mais les machines de capture d'air, installées n'importe où sur terre, pourraient traiter les 52 % d'émissions de dioxyde de carbone causées par des sources distribuées et plus petites comme les voitures, les fermes et les maisons. Deuxièmement, le captage de l'air, s'il devient un jour pratique, pourrait progressivement réduire la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Alors que les émissions se sont accélérées – elles augmentent maintenant de 2 % par an, soit deux fois plus rapidement qu'au cours des trois dernières décennies du XXe siècle – les scientifiques ont commencé à reconnaître l'urgence d'atteindre des émissions dites négatives.

Le besoin évident de la technologie a attiré plusieurs autres efforts pour proposer diverses approches qui pourraient être pratiques. Par exemple, Climate Engineering, basée à Calgary, capte le carbone à l'aide d'une solution liquide d'hydroxyde de sodium, une technique industrielle bien établie . Une entreprise cofondée par l'un des premiers pionniers de l'idée, le collègue colombien d'Eisenberg, Klaus Lackner, a travaillé sur le problème pendant plusieurs années avant d'abandonner en 2012.

Des émissions négatives sont définitivement nécessaires pour restaurer l'atmosphère étant donné que nous allons dépasser de loin toute limite de sécurité pour le CO2, s'il y en a une. La question qui me vient à l'esprit est la suivante : peut-on le faire de manière économique ?

Un rapport publié en avril par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat indique qu'éviter l'objectif internationalement convenu de 2 ° C de réchauffement climatique nécessitera probablement le déploiement mondial de stratégies d'élimination du dioxyde de carbone comme la capture de l'air. (Voir Le coût de la limitation du changement climatique pourrait doubler sans la technologie de capture du carbone.) Des émissions négatives sont absolument nécessaires pour restaurer l'atmosphère étant donné que nous allons dépasser de loin toute limite de sécurité pour le CO2, s'il y en a une, déclare Daniel Schrag, directeur du Harvard University Center for the Environment. La question qui me vient à l'esprit est la suivante : peut-on le faire de manière économique ?

La plupart des experts sont sceptiques. (Voir Ce que la capture du carbone ne peut pas faire.) Un rapport de 2011 de l'American Physical Society a identifié les principaux défis physiques et économiques. Le fait que le dioxyde de carbone se lie aux amines, formant une molécule appelée carbamate, est une chimie bien connue. Mais le dioxyde de carbone ne représente toujours qu'une molécule sur 2 500 dans l'air. Cela signifie qu'une machine de capture d'air efficace devrait pousser de grandes quantités d'air au-delà des amines pour obtenir suffisamment de dioxyde de carbone pour s'y coller, puis régénérer les amines pour en capturer davantage. Cela nécessiterait beaucoup d'énergie et serait donc très coûteux, selon le rapport de 2011. C'est pourquoi il a conclu que la capture de l'air n'est pas actuellement une approche économiquement viable pour atténuer le changement climatique.

Les gens de Global Thermostat comprennent ces aspects économiques décourageants, mais restent résolument optimistes. Selon la cofondatrice de Global Thermostat, Graciela Chichilnisky, économiste et mathématicienne de l'Université de Columbia, le moyen de rentabiliser la capture d'air consiste à tirer parti de la demande de gaz de diverses industries. Il existe déjà un marché bien établi d'un milliard de dollars pour le dioxyde de carbone, qui est utilisé pour rajeunir les puits de pétrole, fabriquer des boissons gazeuses et stimuler la croissance des plantes dans les serres commerciales. Historiquement, le gaz se vend autour de 100 dollars la tonne. Mais Eisenberger affirme que le prototype de machine de son entreprise pourrait extraire une tonne concentrée de gaz pour bien moins que cela. L'idée est de vendre d'abord du dioxyde de carbone à des marchés de niche, tels que la récupération de puits de pétrole, pour éventuellement en créer de plus grands, comme l'utilisation de catalyseurs pour fabriquer des carburants dans des processus alimentés par l'énergie solaire. Une fois que la capture du carbone de l'air sera rentable, les personnes agissant dans leur propre intérêt y parviendront, dit Chichilnisky.

Échauffement

Eisenberger et Chichilnisky étaient collègues à Columbia en 2008 lorsqu'ils ont réalisé qu'ils avaient des intérêts complémentaires : le sien dans l'énergie et le sien dans l'économie de l'environnement, y compris le travail pour aider à façonner le protocole de Kyoto de 1991, le premier traité mondial sur la réduction des émissions. Les nations avaient promis de grosses coupes, dit Chichilnisky, mais les réalités économiques et politiques n'avaient fourni aucun moyen de le mettre en œuvre. Le duo a décidé de créer une entreprise pour relever le défi du carbone.

Ils se sont concentrés sur la capture de l'air, qui a d'abord été développée par des scientifiques nazis qui utilisaient des absorbants liquides pour éliminer les accumulations de CO2 dans les sous-marins. À l'hiver 2008, Eisenberger s'est séquestré dans une maison tranquille avec de grandes baies vitrées donnant sur l'océan dans le comté de Mendocino, en Californie. Là, il a étudié la littérature existante sur la capture du carbone et a pris une décision clé. Les scientifiques développant des techniques pour capturer le CO2 ont jusqu'à présent cherché à travailler à des concentrations élevées du gaz. Mais Eisenberger et Chichilnisky se sont concentrés sur un autre terme de ces équations : la température.

Les ingénieurs ont déjà déployé des amines pour laver le CO2 des gaz de combustion, dont les températures avoisinent les 70 °C à la sortie des centrales électriques. L'élimination ultérieure du CO2 des amines - la régénération des amines - nécessite généralement des réactions à 120 °C. En revanche, Eisenberger a calculé que son système fonctionnerait à environ 85 ° C, nécessitant moins d'énergie totale. Il utiliserait de la vapeur relativement bon marché à deux fins. La vapeur chaufferait la surface, chassant le CO2 des amines à collecter, tout en évacuant le CO2 de la surface.

Même si le captage de l'air devait un jour s'avérer rentable, s'il faudrait le développer, c'est une autre question.

Le résultat ? Avec moins d'infrastructure de gestion de la chaleur que ce qui est nécessaire avec les amines dans les cheminées des centrales électriques, la conception d'un épurateur pourrait être plus simple et donc moins chère. En utilisant les données de leur prototype, l'équipe d'Eisenberger estime que l'approche pourrait coûter entre 15 et 50 dollars par tonne de dioxyde de carbone capturé dans l'air, selon la durée de vie des surfaces d'amine.

Si Global Thermostat peut atteindre n'importe où près des prix qu'il vante, un certain nombre de marchés de niche s'offrent à vous. La startup s'est associée à une société basée à Carson City, dans le Nevada, appelée Algae Systems, pour fabriquer des biocarburants à partir de dioxyde de carbone et d'algues. Pendant ce temps, la demande augmente pour le dioxyde de carbone à injecter dans les puits de pétrole épuisés, une technique connue sous le nom de récupération assistée du pétrole. Une étude estime que l'application pourrait nécessiter jusqu'à 3 milliards de tonnes de dioxyde de carbone par an d'ici 2021, soit près de dix fois plus que le marché de 2011.

Cela représente tout de même une goutte d'eau dans l'océan en termes de quantités nécessaires pour réduire voire stabiliser la concentration de CO2 dans l'atmosphère. Mais Eisenberger dit qu'il n'y a vraiment pas d'alternative à la capture d'air. Le simple fait de capturer les émissions de carbone des centrales électriques au charbon, dit-il, ne fait qu'étendre la dépendance de la société au charbon à forte intensité de carbone.

Suce-le

C'est un chaud après-midi de décembre dans la Silicon Valley alors qu'Eisenberger et moi traversons le centre de recherche sur le béton de SRI International. C'est dans ces bâtiments surbaissés que les ingénieurs ont fait la première démonstration d'ARPAnet, du logiciel Siri d'Apple et d'innombrables autres avancées technologiques. À environ un quart de mile de l'entrée, une tour de ventilateurs, d'acier et de tubes d'argent de 40 pieds de haut apparaît. Il s'agit de l'usine de démonstration de Global Thermostat. C'est imposant et propre. Eisenberger regarde la scène tranquille autour de la tour, qui comprend un grand arbre. Il fait exactement ce que fait l'arbre, dit Eisenberger. Mais ensuite il se corrige. Eh bien, en fait, ça le fait beaucoup mieux.

Après qu'Eisenberger ait obtenu un doctorat en physique en 1967 à Harvard, des séjours aux Bell Labs, à Princeton et à Stanford ont suivi. Chez Exxon dans les années 1980, il a dirigé des travaux sur l'énergie solaire, puis a été directeur de Lamont-Doherty, le laboratoire de géosciences de Columbia. Il y a enseigné un séminaire de longue date intitulé The Earth/Human system. C'est lors de ce séminaire, en 2007, avec Lackner comme conférencier invité, qu'Eisenberger a entendu parler pour la première fois de la capture d'air. Après environ un an de préparation, lui et Chichilnisky ont contacté le milliardaire Edgar Bronfman Jr. Parfois, quand vous entendez quelque chose qui doit être trop beau pour être vrai, c'est parce que c'est le cas, a été la réaction de Bronfman, selon son fils, qui était présent. lors de la réunion. Mais le rejeton a imploré son père : s'ils ont raison, c'est l'une des plus grandes opportunités qui existent. La famille a investi 18 millions de dollars.

Cette largesse a permis à l'entreprise de construire sa démonstration malgré pratiquement aucun soutien fédéral pour la recherche sur la capture de l'air. (Global Thermostat a choisi SRI comme site en raison de l'expérience antérieure de l'installation avec la technologie de capture du carbone.) La tour rectangulaire utilise des ventilateurs pour aspirer l'air sur des surfaces alternées de 10 pieds de large appelées contacteurs. Chacun est composé de 640 cubes en céramique intégrés avec le sorbant amine. La tour soulève un contacteur pendant qu'un autre est abaissé. Cela permet aux cubes de l'un de capter le CO2 de l'air ambiant tandis que l'autre est débarrassé du gaz par l'application de la vapeur, à 85 °C. Pour l'instant, ce gaz est simplement évacué, mais selon le client, il peut être injecté dans le sol, acheminé par canalisation ou transféré vers une usine chimique à usage industriel.

L'un des principaux défis auxquels l'entreprise est confrontée est la robustesse des surfaces de sorbant aux amines. Ils ont tendance à se décomposer rapidement lorsqu'ils sont oxydés, et le remplacement fréquent des sorbants pourrait rendre le processus beaucoup moins rentable que les projets Eisenberger.

Faux espoir

Aucune des milliers de centrales au charbon dans le monde n'a été équipée pour capturer à grande échelle leur pollution par le carbone. Et s'il n'est pas économique pour une utilisation dans les centrales électriques, avec leur source concentrée de dioxyde de carbone, les perspectives de le capter dans l'air semblent faibles pour de nombreux experts. Il y a vraiment peu de chances que vous puissiez capter le CO2 de l'air ambiant à moindre coût que dans une centrale au charbon, où les gaz de combustion sont 300 fois plus concentrés, déclare Robert Socolow, directeur du Princeton Environment Institute et codirecteur de l'initiative d'atténuation du carbone de l'université. .

Ajoutant au scepticisme quant à la faisabilité de la capture de l'air, il existe d'autres moyens moins coûteux de créer les soi-disant émissions négatives. Une façon plus pratique de le faire, dit Schrag, consisterait à dériver des carburants de la biomasse, qui élimine le CO2 de l'atmosphère au fur et à mesure de sa croissance. Lorsque cette matière première est fermentée dans un réacteur pour créer de l'éthanol, elle produit un flux de dioxyde de carbone pur qui peut être capturé et stocké sous terre. C'est une technique éprouvée qui a été testée sur une poignée de sites dans le monde.

Même si la capture aérienne devait un jour s'avérer rentable, qu'elle devrait être mis à l'échelle est une autre question. Supposons qu'une centrale solaire soit construite à l'extérieur d'une centrale à charbon existante. L'énergie produite par la nouvelle centrale solaire doit-elle être utilisée pour aspirer le carbone de l'atmosphère ou pour permettre l'arrêt de la centrale au charbon en remplaçant sa production d'énergie ? Ce dernier est beaucoup plus logique, dit Socolow. Lui et d'autres ont une autre préoccupation concernant la capture de l'air : que les affirmations sur sa faisabilité pourraient engendrer la complaisance. Je ne veux pas que nous donnions aux gens le faux espoir que la capture de l'air puisse résoudre le problème des émissions de carbone sans mettre l'accent sur [la réduction de l'utilisation] des combustibles fossiles, dit-il.

Eisenberger et Chichilnisky sont catégoriques quant à l'importance d'aspirer le CO2 de l'atmosphère plutôt que de se concentrer entièrement sur sa capture à partir des centrales au charbon. En 2010, le duo a développé une version de leur technologie qui mélange l'air avec les gaz de combustion d'une centrale électrique au charbon ou au gaz. Cette approche fournit une source de vapeur tout en capturant à la fois le carbone atmosphérique et les nouvelles émissions. Cela pourrait également réduire les coûts en fournissant une concentration plus élevée de CO2 à capturer par la machine. C'est un système très impressionnant, un triomphe, dit Socolow, qui pense que les progrès scientifiques réalisés dans la capture de l'air seront finalement utilisés principalement sur les centrales électriques au charbon et au gaz.

Une telle application pourrait jouer un rôle critique dans le nettoyage des émissions de gaz à effet de serre. Mais Eisenberger a révélé des objectifs encore plus nobles. Un brevet accordé à lui et à Chichilnisky en 2008 décrivait la technologie de capture d'air comme, entre autres, un thermostat global pour contrôler la température moyenne de l'atmosphère d'une planète.

Eli Kintisch est correspondant pour La science magazine.

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