Comment piéger le gaz carbonique dans l'air ?

Tout pour capter le CO2 de l'air

| Auteur / Rédacteur: Source : CADFEM / Jean-René Gonthier

Figure 5 : Simulation du flux d'air.
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Figure 5 : Simulation du flux d'air. (Source : Climeworks)

« Et si nous pouvions empêcher le changement climatique d'atteindre des niveaux dangereux ? » La start-up Climeworks y croit et le démontre avec l'appui des outils de simulation d'Ansys.

Limiter les effets du changement climatique sur la planète est l'objectif principal de l'Accord de Paris de 2016, signé par 174 pays. L'objectif est de maintenir l'augmentation de la température moyenne « bien en-dessous » des 2 °C et de maintenir ces efforts pour tenter de limiter cette augmentation à 1,5 °C. Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) évalue les impacts, les faiblesses et l'adaptation obligatoire liés au changement climatique. L'élimination du dioxyde de carbone - l'élimination physique du CO2 déjà présent dans l'air - est la seule solution envisagée dans 87% de tous les scénarios climatiques du GIEC.

Malgré une augmentation significative de l'utilisation de l'énergie renouvelable et des stratégies d'efficacité énergétique plus efficaces, il faudra éliminer davantage de dioxyde de carbone pour atteindre l'objectif de 2 °C. « Le captage direct de l'air est peut-être l'option la plus respectueuse de l'environnement pour l'élimination à grande échelle du CO2 », affirme Phillip Williamson, de l'Université d'East Anglia (Royaume-Uni).

« Il y a trois ans, les gens considéraient que vous investissiez dans la poussière de fée et les licornes », a déclaré Julio Friedmann, chercheur au « Center for Global Energy Policy » de l'Université Columbia et fondateur de Carbon Wrangler, une société de conseil qui guide les start-ups intéressées par le Direct Air Capture (DAC). Cette perception a changé « parce que les entreprises reconnaissent maintenant que le changement climatique est une menace et qu'elles y voient un outil de réduction (du CO2) essentiel », a ajouté M. Friedmann (Figure 1).

Pour Climeworks, la solution est la construction d’usines modulaires de captage du CO2 dont la principale source d'énergie est la chaleur à basse température et à faible teneur en carbone (renouvelable ou issue de déchets). Des économies d’échelle pourront être faites grâce à la production de masse.

Climeworks capture le CO2 de l'air grâce à la première technologie d'élimination du dioxyde de carbone, conçue à des fins commerciales, où le CO2 capté dans l'air est vendu aux clients.

Pour compléter ce thème
 
Deux exemples
Depuis 2017, plusieurs usines de DAC ont été développées, en voici les descriptifs.

Climeworks a été fondée en 2009, par Christoph Gebald et Jan Wurzbacher, aujourd'hui co-PDGs de l'entreprise. En fait, c’est bien avant qu'ils ont décidé de fonder ensemble une entreprise. Cela s’est passé lors de leur rencontre à l'ETH Zurich en 2003. En 2007, ils ont entamé des recherches sur la capture directe de l'air lors de leurs études de master à l'EPFZ. Les premiers concepts de systèmes et prototypes fonctionnels ont été développés en 2009. En 2010, ils ont remporté Venture Kick et en 2011, ils ont été finalistes du Virgin Earth Challenge (prix de 25 millions USD décerné par Richard Branson). En 2013, ils ont établi un partenariat stratégique avec le constructeur automobile Audi. Depuis les débuts de Climeworks, le Groupe CADFEM est actionnaire et partenaire. CADFEM fournit les outils de simulation et des services d'ingénierie pour concevoir des unités économiques qui élimineront efficacement le CO2 de l'air.

Ces reconnaissances et ces partenariats stratégiques les aident à bâtir une entreprise innovante qui compte aujourd’hui 14 usines réparties dans le monde entier. Une installation est composée de plusieurs unités extractrices. Le processus d'extraction du CO2 se déroule en deux étapes. En premier, chaque unité « aspire » littéralement l'air ambiant qui passe à travers un filtre dont le rôle est de capturer chimiquement le CO2. L'air libéré du CO2 est rejeté. Puis, lorsque le filtre de CO2 est saturé, il est chauffé à 100°C, ce qui entraîne la dissociation du CO2 du matériau filtrant (Figure : 1). Dès lors, un gaz très pur et concentré est collecté, prêt pour divers emplois :

  • vente directe : fourniture de CO2 sur site pour l'industrie agro-alimentaire et les serres.
  • carburants renouvelables : approvisionnement en CO2 sur place pour la synthèse de carburants renouvelables.

Sur un troisième marché, celui de l'élimination du dioxyde de carbone, le captage direct de l'air est associé à un stockage sûr et permanent du CO2. Dans ce cas, le CO2 est mélangé à de l'eau et pompé sous terre, comme en Islande, où il se minéralise en moins de deux ans, ce qui l’élimine définitivement de l'air.

La chaleur nécessaire pour libérer le CO2 du filtre provient soit de l'énergie provenant de l’incinération de déchets, de la géothermie ou d’énergies renouvelables. Les usines Climeworks fonctionnent actuellement avec une efficacité d'environ 90 % pour l’élimination du carbone. L'objectif est de porter ce rendement à 96 %.

D'autres centrales sont en cours de développement avec des partenaires, pour fournir des carburants renouvelables aux sociétés industrielles. Ces développements sont liés à divers projets de R&D de l'UE. Le budget total de ces projets s'élève à 63 millions d'euros et implique une soixantaine de partenaires.

Lorsqu'il s'agit d'améliorer la technologie DAC, le principal défi consiste à réduire le coût de la technologie pour permettre une application à grande échelle. Par conséquent, les outils de simulation ANSYS Simulations sont utilisés pour concevoir la prochaine génération d'usines de capture directe de l'air. Les outils de simulation sont essentiels pour garder des cycles de développement courts avec un nombre réduits de tests expérimentaux sur prototypes physiques. La simulation consiste en un calcul fluidique (CFD) pour évaluer et améliorer le flux d'air pendant le processus de capture du CO2 (figure 5).

Climeworks souhaite avoir un impact significatif dans la lutte contre le changement climatique grâce à la rentabilité de ses usines de captage direct du CO2. Ainsi, la technologie DAC est développée à l'aide d'outils de simulation pour réduire les coûts et permettre une application à grande échelle, de sorte que les usines puissent être implantées dans le monde entier. Climeworks sera présent au 16e Forum de CADFEM & ANSYS pour présenter ses avancées dans le développement des DACs, le 11 septembre 2019 à l’EPFL à Lausanne. Voir le programme sur : simulation-conference.ch/fr. MSM

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