Les membranes en graphène font baisser le prix du captage du CO₂

Le captage du carbone devient essentiel pour les industries qui dépendent encore des combustibles fossiles, notamment les industries du ciment et de l’acier. Les centrales électriques au gaz naturel, les centrales au charbon et les cimenteries sont des grandes émettrices de CO₂, et réduire ces émissions passe par des systèmes de captage dédiés. Aujourd’hui, la plupart des centrales utilisent des systèmes à base de solvants qui absorbent le CO₂, mais ces installations consomment beaucoup de chaleur, nécessitent des infrastructures importantes et sont coûteuses à exploiter.

Une alternative plus compacte, fonctionnant à l’électricité, est ce que l’on appelle un système à «membrane». Une membrane fonctionne comme un filtre ultrafin qui laisse passer certains gaz plus facilement que d’autres, séparant le CO₂ du reste des gaz de combustion. Le problème est que beaucoup de membranes perdent de leur efficacité lorsque les concentrations de CO₂ sont faibles, ce qui est fréquent dans les centrales au gaz naturel et limite leurs possibilités d’utilisation.

Une étude menée à l’EPFL a analysé le fonctionnement à grande échelle d’un nouveau matériau membranaire, le graphène pyridinique. Il s’agit d’une feuille de graphène monocouche avec de minuscules pores qui favorisent le CO₂ par rapport aux autres gaz. Les chercheuses et chercheurs ont combiné des données de performance expérimentale avec des outils de modélisation qui simulent des conditions réelles d’exploitation, telles que la consommation d’énergie et les flux gazeux. Ils ont aussi étudié un large éventail de scénarios de coûts pour voir comment le matériau pourrait se comporter une fois déployé dans des usines.

L’étude a été menée par Marina Micari et Kumar Varoon Agrawal, titulaire de la Chaire Gaznat (capture et valorisation de CO₂) à l’EPFL. Elle a été publiée dans Nature Sustainability et s'appuie sur les recherches antérieures du groupe dans le développement de membranes en graphène évolutives.

« Alors que nous développons cette technologie, il est important de comprendre ses implications en termes de réduction de la consommation d'énergie et du coût du captage du carbone dans les différents secteurs concernés, explique le professeur. C'est précisément l'objet de ces travaux. »

La modélisation montre où la membrane est la plus performante

L’équipe a testé différentes membranes à base de graphène, dont la membrane de graphène pyridinique, dans plusieurs configurations industrielles pour comparer leurs performances en conditions réelles. Pour les centrales au gaz naturel, un système en trois étapes qui commence par enrichir le flux de CO₂ a atteint des coûts prometteurs, de l’ordre de 80 à 100 dollars par tonne, les meilleurs cas se situant à 60 à 80 dollars. Ces chiffres sont remarquables, car les membranes ont généralement des difficultés à traiter des gaz de combustion aussi dilués.

Dans les centrales au charbon, où les niveaux de CO₂ sont plus élevés, la forte sélectivité CO₂/N₂ de la membrane réduit la consommation d’énergie et amène les coûts dans la fourchette de 25 à 50 dollars par tonne. Les cimenteries ont plus d’oxygène dans leurs gaz de combustion, ce qui rend la sélectivité plus difficile, mais la membrane atteint toujours des fourchettes de coûts similaires et reste stable dans les différents scénarios testés.

Dans les trois secteurs, la forte perméance de la membrane limite la surface requise, ce qui contribue à diminuer l’empreinte de l’ensemble d’un système de captage. L’étude montre que le graphène pyridinique pourrait offrir une alternative compacte et potentiellement rentable au captage par solvant une fois développée à grande échelle. Elle indique également des domaines où le matériau pourrait encore être amélioré, en particulier sa capacité à distinguer le CO₂ de l’oxygène dans les gaz de combustion du ciment.