Le dioxyde de carbone (CO2) est devenu l’ennemi à abattre. Les chercheurs de la plateforme FRITCO2T, qui réunit quatre laboratoires, essaient au contraire de le valoriser
La vérité des nombres est brutale : si les émissions de CO2 en provenance du seul secteur de l’énergie avaient stagné entre 2014 et 2016, elles ont à nouveau crû ces deux dernières années, atteignant 33,1 gigatonnes en 2018 selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE). Et le samedi 11 mai, l’observatoire de Mauna Loa à Hawaï a enregistré une concentration de 415,26 ppm (parts par million) de CO2 dans l’atmosphère terrestre. C’est la première fois que la barre des 415 ppm était franchie. « Si nous voulons respecter l’objectif d’une élévation maximale de la température moyenne de 2°C, nous aurons consommé notre “budget carbone” fin 2030 », détaille Grégoire Léonard, chargé de cours au département Chemical Engineering de la faculté des Sciences appliquées. Ce qui signifie que si la tendance actuelle se confirme, nous ne pourrons plus émettre le moindre kilo de CO2 ou gaz à effet de serre équivalent à partir de cette date. Peu de chances qu’on y parvienne ! Il va donc falloir, en plus de la chasse au gaspillage et du développement des énergies non fossiles, traiter le CO2, celui qu’on va continuer à émettre et celui déjà émis. Autrement dit, le capturer puis le stocker ou l’utiliser.
« C’est dans ce contexte que nous avons créé la plateforme Federation of Reseachers in Innovation Technologies for CO2 Transformation (FRITCO2T) en 2016, expose Grégoire Léonard, l’un de ses fondateurs. Nous pensons en effet qu’il faut développer de nouvelles technologies et de nouveaux produits qui justifient le captage et l’utilisation du CO2. En clair, ne plus considérer le CO2 comme un déchet mais bien comme une ressource valorisable. » FRITCO2T regroupe quatre laboratoires de l’ULiège qui ont élaboré des expertises complémentaires dans des secteurs divers :
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Soyons de bon compte : les applications sur lesquelles travaille le laboratoire du Pr Brigitte Evrard, le Centre interdisciplinaire de recherche sur le médicament dans le département de pharmacie, ne nécessitent pas le recours à des quantités significatives de CO2. Pas de quoi donc stopper le réchauffement climatique. L’intérêt n’est pas là : vilain petit canard en matière de climat, le CO2 se mue ici en chevalier vert de l’industrie pharmaceutique.
La fabrication des médicaments nécessite très souvent l’utilisation de solvants qu’il faut ensuite faire évaporer. Mais les solvants utilisés sont des solvants organiques (comme l’acétone), souvent toxiques, polluants, dangereux et chers. « C’est pourquoi nous les remplaçons par du CO2 supercritique, confie Brigitte Evrard. Dans cet état, le CO2 n’est plus tout à fait un gaz, pas encore vraiment un liquide mais il a des propriétés des deux états. En fin de processus de fabrication, il suffit de dépressuriser l’ensemble ; le CO2 redevenu gazeux s’échappe et il reste le principe actif et le support. » Lequel CO2 peut être récupéré pour que le système fonctionne en circuit fermé.
Le recours au CO2 présente en outre un second intérêt. « Un médicament est souvent administré par voie orale, rappelle Brigitte Evrard : il doit se dissoudre dans les sucs digestifs. Ce n’est qu’ensuite qu’il peut passer dans le sang et agir au niveau des récepteurs. Si le principe actif se solubilise difficilement dans les sucs digestifs, il va agir faiblement, l’essentiel étant éliminé. » Or, on rencontre aujourd’hui beaucoup de principes actifs peu solubles dans l’eau et dans les fluides digestifs. Leur biodisponibilité – quantité de principe actif qui arrive dans la circulation générale – est souvent inférieure à 20%. « En utilisant du CO2 à l’état supercritique comme solvant, nous parvenons justement à améliorer la solubilité aqueuse du principe actif, précise Brigitte Evrard. La dépressurisation rapide du gaz le rend en effet amorphe au lieu d’être cristallin. Et un produit amorphe se dissout bien plus facilement qu’un cristal. »
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Le laboratoire du Pr Luc Courard, Urban and Environmental Engineering, étudie la carbonatation des matériaux. Fabriquer du béton revient en fait à transformer un liquide (la pâte de ciment) en solide. Une transformation qui s’accompagne de production de chaux ou hydroxyde de calcium (Ca(OH)2). Et celle-ci capte du CO2 (on dit qu’elle se carbonate) pour former du carbonate de calcium : Ca(OH)2 + CO2 => CaCO3 + H2O. Un phénomène positif, quand le béton n’est pas armé, car le carbonate bouche les pores du béton, le rendant ainsi plus résistant.
Le laboratoire de l’ULiège a développé deux axes de recherche en matière de carbonatation. « Nous travaillons tout d’abord sur des déchets de béton, explique Luc Courard. Il reste en effet toujours une partie de chaux qui n’a pas été carbonatée. Nous essayons donc de carbonater cette part – on injecte du CO2 – afin de rendre le granulat recyclé plus résistant pour une utilisation dans un nouveau béton. »
Le deuxième domaine est plus étonnant sans doute. Ici, les chercheurs ne partent pas de granulats rocheux mais végétaux, tiges de bambou, miscanthus ou roseaux broyés. Ils déposent ensuite une couche minérale sur le végétal, une sorte de laitance fabriquée à partir d’eau, de chaux et de ciment, ce qui permet de composer des blocs de béton légers, isolants, parfaits pour réaliser par exemple des cloisons avec une bonne isolation thermique. « Ces blocs sont cependant moins résistants que ceux en béton classique, précise le Pr Courard. D’où, à nouveau, l’injection de CO2 sous pression pour carbonater le matériau et le rendre plus résistant. »
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Le Centre d’étude et de recherche sur les macromolécules de la faculté des Sciences (Cerm), pour sa part, travaille dans le domaine du CO2 depuis une vingtaine d’années. Comme d’autres secteurs, il l’utilise bien sûr comme solvant vert en lieu et place de solvants organiques toxiques. Une manière, par exemple, de produire des polymères plus verts. Mais il l’utilise aussi comme agent porogène pour faire mousser les polyuréthanes ou d’autres matrices polymères (produites à partir du CO2 ou non) qui vont servir à isoler les bâtiments rendant ainsi l’isolation plus verte.
« Notre axe de recherche le plus important et le plus récent, précise Christophe Detrembleur, directeur de recherche FNRS, porte sur son utilisation comme matière première renouvelable pour la production de matériaux organiques. La plupart de ceux-ci sont pour le moment préparés à partir du pétrole. L’idée est d’utiliser le carbone du CO2 pour concevoir des matériaux organiques sans avoir recours à la pétrochimie. »
Une idée qui n’a vraiment rien d’absurde : la nature fait cela depuis toujours. Grâce à la lumière, les plantes transforment le CO2 de l’air et l’eau en biopolymères, matière organique dont elles sont faites : c’est la photosynthèse. Le but est donc de trouver des méthodes peu gourmandes en énergie qui permettent de transformer le CO2 en matières plastiques, en mousses isolantes, en revêtements dépolluants, etc. Et cela fonctionne ! Même si des limites existent. « Tout d’abord, rappelle Christophe Detrembleur, le problème du réchauffement climatique ne va pas être résolu par la chimie du CO2. La chimie des polymères ne représente en effet que quelques pour-cents de l’utilisation du pétrole. Ensuite, la technologie de production des polymères à partir du pétrole est très éprouvée ; les procédés sont optimisés depuis longtemps. Il est donc très difficile d’en produire autrement de manière rentable. Les industriels sont intéressés, mais ils ne bougeront pas s’ils n’y sont pas obligés car les usines devraient être adaptées. Tant que la législation ne changera pas, la pétrochimie classique sera plus rentable. »
L’autre chimie est pourtant prometteuse à bien des égards, et pas uniquement parce qu’elle utilise le CO2 en lieu et place du pétrole. Une application étudiée par l’équipe du Cerm concerne les batteries organiques. Dans les batteries actuelles, c’est surtout le liquide qui permet le transport des ions lithium (inflammable) et les métaux lourds des électrodes qui posent problème. « Nous remplaçons ce liquide par un polymère produit par la chimie CO2, détaille Christophe Detrembleur. Et pour remplacer les électrodes en nickel et cobalt, nous nous inspirons de la nature : on fixe des molécules présentes dans la lignine – où s’échangent les électrons – contenue dans les végétaux sur des polymères synthétiques. » La lignine, un déchet extrait des végétaux, donc… formé à partir de CO2 !
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Le département de Chemical Engineering étudie le captage de CO2 à travers la modélisation et l’optimisation énergétique des systèmes. « Les installations de captage en post-combustion nécessitent de l’énergie car il faut régénérer le solvant dans lequel le CO2 est piégé, explique Grégoire Léonard. Nous étudions donc les interactions entre les différents composants de l’usine mais aussi la stabilité du solvant. C’est un point important, sinon on risque de relâcher d’autres gaz qui peuvent s’avérer polluants. »
L’essentiel des recherches du laboratoire porte sur la production de méthanol à partir du CO2. « Une économie basée sur l’éthanol, comme il y a aujourd’hui une économie du pétrole, est possible, estime Grégoire Léonard. Cependant, à l’heure actuelle, on ne peut lutter contre les prix du pétrole. Les carburants synthétiques doivent être fabriqués, le pétrole pas. Tant que les coûts indirects du pétrole ne sont pas pris en compte, la production d’éthanol ne sera pas rentable. »
Avant d’utiliser, il faut capter. Une première méthode consiste à agir en postcombustion, c’est-à-dire à la sortie des cheminées d’usines et de centrales. Mais le CO2 qui en sort est généralement mêlé à d’autres gaz (oxygène, azote, vapeur d’eau). Sa concentration dans ces rejets dépasse d’ailleurs rarement les 15%. Le récupérer représente donc un défi quand on sait qu’une centrale thermique de taille moyenne, par exemple, rejette dans l’air environ 700 m3 de gaz – tous mélangés – par seconde. Malgré cela, des procédés de séparation existent depuis plusieurs décennies. Alors, pourquoi le captage du CO2 est-il si rare ? « D’abord parce que cela coûte de l’argent, note Grégoire Léonard. Tant que les émissions ne sont pas (ou pas assez) taxées, les industriels n’ont aucun intérêt à récupérer le CO2. Ensuite parce que cela coûte aussi… de l’énergie ! » Et de citer l’exemple d’une centrale au charbon canadienne qui fait du captage de CO2 à grande échelle. Lorsque le système fonctionne, son rendement chute de 30% car elle doit utiliser une partie de la chaleur produite pour le faire fonctionner. Pour produire la même quantité d’électricité, elle doit donc brûler davantage de charbon.
Autre système : enlever le carbone du combustible en le gazéifiant avant qu’il ne soit brûlé. C’est donc un captage en pré-combustion. On peut aussi brûler les combustibles avec de l’oxygène pur plutôt que de l’air (combustion oxyfuel). Mais il faut produire suffisamment d’oxygène… ce qui est énergétivore ! « Toutes ces techniques se valent, estime Grégoire Léonard. Mais elles ne sont pas rentables à l’heure actuelle. » Hors combustion de carburants fossiles, des tentatives sont également réalisées. Ainsi, dans les cimenteries où 60% des émissions de CO2 proviennent de la roche chauffée, on expérimente des procédés de fabrication où le CO2 sera récupéré sans êre mélangé aux autres gaz du procédé.
Et pour le CO2 qui est déjà dans notre atmosphère? « C’est bien plus difficile, admet Grégoire Léonard. On ne parle plus d’une concentration à quelques pour-cents… mais à 0,04% ! Il faudra donc encore plus d’énergie et cela va coûter plus cher, mais le coût n’est pas proportionnel à la dilution. Le captage dans l’industrie, les centrales, où il est concentré, varie entre 40 et 80 euros la tonne captée. Dans l’air, c’est plutôt proche de 200 euros. » Comment faire ? Le mieux est évidemment de planter des arbres… à condition de récupérer le CO2 au moment de leur combustion. Il existe aussi des recherches qui utilisent des matériaux solides sur lesquels le CO2 vient s’absorber. Il faudrait alors planter des arbres artificiels réalisés dans ces matériaux, dans lequel le vent viendrait s’engouffrer. Le CO2 de l’air s’y déposerait. Ensuite, on devrait humidifier ou réchauffer ce matériau pour désorber le CO2 et le récolter. Voilà qui ressemble toujours à de la science-fiction. Mais ce sont des recherches à poursuivre, ne serait-ce qu’en vue d’applications très individuelles… comme le pot d’échappement des voitures.
Le dioxyde de carbone est déjà utilisé aujourd’hui, dans la synthèse de l’ammoniac par exemple, précurseur des engrais, ou dans l’industrie agro-alimentaire pour mettre du pétillant dans certaines boissons. Au total, cela ne représente cependant que quelque 250 millions de tonnes, soit environ 0,5% de ce qui est émis. « Il faut donc imaginer d’autres utilisations, commente Grégoire Léonard. Mais il ne faut pas se leurrer : si l’on parvient un jour à utiliser 10% des quantités de CO2 émises actuellement, ce sera très bien. Il faut donc toujours envisager la solution du stockage. »
Quels pourraient être les nouveaux usages du CO2 ? Il est d’abord possible de l’utiliser tel quel, sans transformation. À l’état supercritique (il n’est plus tout à fait un gaz, pas encore un liquide mais a des propriétés des deux états), il se révèle en effet être un merveilleux solvant, meilleur que l’eau. De quoi l’utiliser en pharmacie ou pour produire des mousses isolantes. On peut aussi lui faire subir une transformation biologique car le CO2 est un réactif de la photosynthèse. Injecté dans l’air des serres par exemple, il augmente le rendement des cultures. Un exemple ? Des cultures de microalgues qui servent de nourriture aux poissons d’élevage. Mais l’utilisation va être très limitée et, surtout il faut des surfaces importantes : un ha de culture n’éliminera que 120 T de CO2 par an.
Troisième type d’utilisation : la transformation chimique sans apport d’énergie. Élaborer des matériaux de construction à partir de déchets d’industrie comme du laitier de haut fourneau ou de déchets de construction que l’on aura carbonaté avec du CO2. Mais à nouveau la quantité de CO2 absorbée par tonne de matériau de construction est faible. Il reste alors la transformation avec énergie, le secteur de loin le plus prometteur en termes de quantité de CO2 utilisée. C’est en effet tout le secteur de la chimie organique qui est visé ici : le CO2 pourrait en effet avantageusement remplacer le pétrole pour produire des plastiques ou comme carburant. Mais il faut pour cela fournir beaucoup d’énergie… qui doit donc être verte sous peine de perdre bien des avantages du système. Un exemple ? De l’énergie renouvelable est utilisée pour hydroliser de l’eau ou est stockée sous forme d’hydrogène (H2). On fait ensuite réagir ce dernier avec du CO2 pour former du méthanol (CH3OH), un liquide qui a certes une densité énergétique moindre que l’essence, mais bien supérieure à ce que pourront jamais atteindre des batteries.
Les quantités de CO2 utilisées dans l’industrie restent faibles et le resteront à l’avenir. Le stockage demeure donc une nécessité. « Différents types de formations géologiques peuvent accueillir le CO2, précise Grégoire Léonard. Celles d’où on a extrait le pétrole tout d’abord. Mais aussi les aquifères salins. » Le CO2 va s’y dissoudre, minéraliser et redevenir du carbonate, de la roche. Une installation de ce type existe déjà au large de la Norvège. Elle remet dans le sol, chaque année, un million de tonnes de CO2 !
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