Récupération et stockage du dioxyde de carbone CO2

L’usine ArcelorMittal de Dunkerque

 
               Nous avons parlé, dans l'article d'hier, du traitement des déchets et de la récupération possible du dioxyde de carbone; CO₂,  formé, qui est le principal gaz à effet de serre.

          Aujourd’hui, je voudrais traiter des méthodes de captage utilisables dans des industries très émettrices (cimenterie, chimie, production d’aciers et d’aluminium), et du stockage et de la réutilisation du CO_2.
 

Capture du CO₂

          Actuellement trois grandes méthodes sont au point pour capter le CO₂ :

               - la première dite de captage en «oxy-combustion», consiste à réaliser une combustion en présence d’oxygène (presque) pur, plutôt qu’à l’air. Le gaz de combustion ainsi produit est constitué presque exclusivement de vapeur d’eau et de CO₂. Il est alors beaucoup plus simple d’extraire le CO₂ que lorsqu’il est dilué dans l’azote de l’air. Nous l’avons vue dans l'article du 3 mars.

               - la deuxième dite de captage en « précombustion », consiste à extraire le CO₂ en amont de la combustion, (ou plus précisément oxydation complète), en transformant le combustible initial en un «gaz de synthèse». Ce procédé nécessite d’être intégrée en amont, au moment de la construction de l’unité industrielle.
         La gazéification du combustible permet d’obtenir un mélange de CO + H₂0, puis d’opérer une transformation chimique pour obtenir un mélange CO₂ + H₂  et enfin d’extraire le CO₂ par solvant.

         L’hydrogène est obtenu en oxydant le monoxyde de carbone CO par de la vapeur d’eau dans deux réacteurs successifs à 400 d°C puis 240 d°C, en présence de catalyseurs, ce qui donne CO₂ + H₂.
        On doit ensuite purifier le gaz obtenu qui contient de fines particules carbonées, et des goudrons, éventuellement des composés soufrés ou chlorés.
         L’hydrogène produit est évidemment récupéré pour utilisation énergétique ou chimique.

              - la troisième méthode dite de captage en «post-combustion», consiste à extraire le CO₂ des fumées industrielles de combustion de ressources fossiles (bois, gaz naturel, pétrole et charbon) à l’aide d’un solvant qui présente une affinité pour les molécules de CO₂. Positionnée en aval des processus industriels, cette technologie peut être mise en œuvre sur des installations préexistantes et appliquée au traitement des fumées d’industries diverses. Elle est aussi nommée DMX.

        La séparation du CO₂ du solvant, demande beaucoup d'énergie et  donc un coût de mise en œuvre élevé, soit entre 10 et 100€ par tonne de CO₂ évité (et donc non émis).

         Opérationnel depuis avril 2023 sur le site d’ArcelorMittal à Dunkerque, le pilote industriel de captage de CO₂ sur du gaz de haut fourneau a fourni des résultats prometteurs. L’objectif de ce pilote est de valider le procédé de captage DMX™, développé par l’institut français du Pétrole Energies nouvelles (IFPEN) et commercialisé par Axens, afin de permettre la décarbonation d’activités industrielles lourdes existantes.

         Les taux de captage de CO₂ obtenus sont supérieurs à 90 %, et le CO₂ obtenu est très pur (> 99,5%) tandis que la consommation énergétique demeure assez basse. Après plusieurs milliers d’heure d’opération, aucune dégradation de solvant n’a pu être observée malgré la teneur élevée en contaminants du gaz traité.

         Une trentaine d’installations à grande échelle sont actuellement en opération à travers le monde pour décarboner la production d’électricité (centrale charbon, centrale gaz) et l’industrie (aciérie, cimenterie, chimie).

         35 à 40 millions de tonnes âr an sont captées et stockées, à comparer aux 34 milliards de tonnes de CO₂ qui ont été émises en 2020. On estime qu’il en faudrait 100 fois plus d'ici 2035 pour répondre aux objectifs de neutralité carbone

Comment transporter du CO₂ et le stocker?

          Le CO₂ se transporte au même titre que le gaz naturel, par gazoducs, train ou bateau, en fonction de la quantité de CO₂ à transporter et de la distance. Les infrastructures de transport et de stockage ne posent donc pas de problème technique particulier, mais il faut les sécuriser et assurer leur maintenance, comme l’exige tout équipement industriel.

         Le CO₂ capté est stocké dans d’anciens gisements d’hydrocarbures ou des roches poreuses (aquifères salins profonds). Le CO₂ est injecté sous forme dense à une profondeur d’au moins 800 mètres. Il est alors piégé par des mécanismes chimiques et géologiques : dissolution dans l’eau salée, présente dans les roches, immobilisation dans les pores des roches, à terme, minéralisation.
          Les capacités de stockage souterrain en Europe sont d'environ 300 milliards de tonnes, soit l’équivalent de 100 ans d’émissions mondiales.

Réutilisation du CO₂

          Actuellement, 230 Mt/an de CO2 sont consommées dans le monde pour des usages industriels. Le captage et l’utilisation du CO2 (CCU-Carbon Capture and Utilisation) comme matière première directe ou pour la synthèse de carburants, produits chimiques.
           Cette utilisation₂. demande une consommation énergétique importante du fait que le CO₂ est une molécule très peu réactive et sa transformation chimique en d’autres molécules plus complexes est donc fortement consommatrice d’énergie.

            L es molécules nécessitant la plus grande consommation énergétique sont, par ordre décroissant en besoins d’énergie :
                  •  Les molécules dites énergétiques (ex : méthane ou carburants synthétiques),
                  • Les molécules organiques (ex : polymères),

                  • Les produits issus de la carbonatation minérale (ex : carbonates inorganiques utilisés dans les matériaux de construction),

           Actuellement, les carburants synthétiques issus deCO₂ captés sont entre 4 à 10 fois plus chers que les hydrocarbures.

          Pour les produits chimiques quelques produits sont déjà commercialisés malgré leur surcoût car ils répondent à des besoins et marchés très spécifiques.

          Pour les produits issus de la minéralisation du CO₂, les coûts de production sont actuellement plusieurs fois plus élevés que ceux des produits conventionnels.et le marché visé par les produits carbonatés correspond à des produits à faible valeur ajoutée d’où une commercialisation non rentable.

Nota les deux schémas ci-dessus proviennent de documents de l’ADEME