Afin de stabiliser le réchauffement climatique à moins de 1,5 °C à long terme, il est nécessaire non seulement de réduire drastiquement les émissions de gaz à effet de serre, mais aussi de disposer de technologies permettant de capturer et stocker des centaines de milliards de tonnes de dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère. C’est également le fondement des scénarios présentés dans le dernier rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC).
Depuis des années, des groupes de recherche et des start-ups travaillent donc sur des moyens de capturer le CO2 directement de l’air – un procédé connu sous le nom de « capture directe de l’air » (DAC). L’entreprise Climeworks, fondée en 2009 en tant que spin-off de l’ETH, est l’un des premiers fournisseurs commerciaux de DAC au monde. Cependant, à ce jour, l’élimination directe du CO2 de l’air reste un processus énergivore et coûteux.
Des billes de protéines poreuses lient le dioxyde de carbone
Dans une étude récemment publiée dans la revue PNAS, des chercheurs présentent une nouvelle approche prometteuse pour le DAC. Une équipe dirigée par le scientifique des matériaux Raffaele Mezzenga, professeur au Département des sciences et technologies de la santé de l’ETH Zurich, utilise le lactosérum et les sous-produits de la production de tofu pour absorber le CO2.
La production de produits laitiers et de tofu génère de grandes quantités de solutions contenant des protéines, dont seule une petite partie est retraitée dans la production alimentaire – le reste est perdu. À partir de ces déchets, les chercheurs isolent des protéines qu’ils utilisent pour former de longues chaînes filiformes appelées fibrilles amyloïdes. Ils chargent ensuite ces fibrilles avec de l’hydroxyde de potassium et les transforment en billes d’un diamètre compris entre un demi et un centimètre. « Le matériau obtenu est comme une éponge qui peut absorber de grandes quantités de CO2 via l’hydroxyde de potassium », explique Mezzenga.
Lorsque les billes poreuses sont exposées à l’air ambiant, l’hydroxyde de potassium réagit avec le CO2 pour former du carbonate d’hydrogène, un sel d’acide carbonique. Ce processus élimine le CO2 de l’air. « Dans nos tests avec l’air ambiant, nous avons pu extraire 97 milligrammes de CO2 avec un gramme de matériau », explique Zhou Dong, postdoc dans le groupe de Mezzenga et auteur principal de l’étude. Ce taux est très élevé, dit-il, et de 10 à 50 % supérieur à la capacité des méthodes DAC conventionnelles. Dong suppose qu’avec un kilogramme de billes de protéines, il serait théoriquement possible de lier et d’isoler 100 grammes de CO2 par cycle de traitement.
Une technique pour une économie circulaire
Les méthodes DAC conventionnelles utilisent généralement la chaleur et une pression négative pour libérer le dioxyde de carbone du matériau absorbant. Cela est nécessaire pour ensuite stocker le CO2 ou le convertir en d’autres matériaux, l’éliminant ainsi de l’atmosphère à long terme. Cependant, ce processus nécessite beaucoup d’énergie, c’est pourquoi le DAC n’a généralement de sens aujourd’hui – à la fois sur le plan énergétique et économique – que là où de grandes quantités d’énergie renouvelable sont disponibles.
C’est un autre domaine dans lequel les chercheurs de l’équipe de Mezzenga adoptent une approche différente : pour libérer à nouveau le dioxyde de carbone des billes de protéines, les billes sont alternativement pulvérisées avec un acide doux et une base pendant environ 10 minutes à température ambiante. Cela brise les liaisons chimiques afin que le CO2 puisse être isolé.
L’acide, la base et les billes peuvent ensuite être réutilisés. « Les matériaux synthétiques utilisés aujourd’hui pour capturer le CO2 se décomposent rapidement », affirme Dong. « En revanche, nos billes de protéines restent stables longtemps. » Dans le laboratoire, les chercheurs ont testé 30 cycles d’adsorption et de libération de CO2 sans observer de pertes significatives d’efficacité.
Mezzenga suppose que le matériau devrait néanmoins être remplacé après quelques milliers de cycles en raison d’une diminution de la capacité d’adsorption. Cependant, les billes de protéines pourraient alors être utilisées comme engrais en agriculture ou converties en biocarburant, explique le chercheur. Les billes sont entièrement composées de matière organique, dit-il, et sont facilement biodégradables – ce qui signifie que le système pourrait donc s’inscrire dans une économie circulaire.
« Les matériaux que nous utilisons pour ce procédé sont non toxiques et de qualité alimentaire », souligne Mezzenga. Dans une analyse du cycle de vie, les chercheurs montrent que leur méthode génère moins de pollution environnementale sur l’ensemble du cycle de vie que les autres méthodes DAC.
Devrait être moins cher que les autres méthodes de capture
D’autres tests sont nécessaires pour déterminer si la technologie est évolutive pour une utilisation pratique et si la capacité d’absorption élevée de CO2 restera intacte à plus grande échelle. Pour l’étude récemment publiée, les chercheurs ont testé la méthode dans un environnement de laboratoire contrôlé avec quelques grammes de billes de protéines, liant et isolant environ 50 grammes de CO2.
Mezzenga est optimiste. Il travaille avec les fibrilles amyloïdes depuis près de 20 ans et connaît bien ce matériau. Dans le passé, il l’a utilisé pour développer des alternatives biodégradables au plastique ainsi que des techniques de purification de l’eau. « Nous sommes confiants que la technologie est évolutive », déclare-t-il. Selon Mezzenga, le système de pulvérisation utilisé pour séparer le CO2 des billes de protéines s’inspire de techniques existantes déjà utilisées dans l’industrie. Le postdoc Zhou Dong examinera désormais plus en détail la question de l’évolutivité.
Bien que les chercheurs n’aient pas encore calculé exactement les coûts par tonne de CO2 capturée, Mezzenga s’attend à ce qu’ils soient nettement inférieurs à ceux du DAC conventionnel. « Notre technologie est moins chère et plus durable car elle nécessite peu d’énergie et repose sur un déchet largement disponible », déclare-t-il. « Cela pourrait changer la donne pour l’avenir de l’élimination du CO2 de l’air. »
Article : Circular and athermal atmospheric CO2 capture by waste-derived amyloid sorbents – Journal : Proceedings of the National Academy of Sciences – DOI : Lien vers l’étude
Source : ETHZ
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