Franchir la «vallée de la mort» en matière de captage du carbone

L’atténuation des effets du changement climatique est devenue une préoccupation majeure dans le monde entier. Les pays et les organisations internationales élaborent diverses stratégies pour relever ce défi. La réduction des émissions de CO₂ figure au sommet des priorités et les technologies de captage du carbone sont une voie prometteuse dans cette perspective.

Toutefois, combler l’écart entre la recherche et la mise en œuvre pratique des solutions de captage du carbone s’est avéré si difficile qu’on l’a surnommé: la «vallée de la mort». La nécessité de prendre en compte le point de vue et les priorités des différentes parties prenantes tout au long du processus accentue la complexité de ce défi.

Traditionnellement, le développement de technologies de captage du carbone commence par la conception des matériaux par les chimistes et la mise au point des procédés par les ingénieurs. Les impacts économiques et environnementaux sont évalués ultérieurement. Les résultats sont souvent en deçà des attentes et ne font que retarder la mise en œuvre de solutions concrètes.

Pour remédier à cela, des scientifiques sous la houlette de Berend Smit de l’EPFL et de Susana Garcia de l’Université Heriot-Watt ont mis au point la plateforme PrISMa (Process-Informed design of tailormade Sorbent Materials). Cet outil innovant associe de manière harmonieuse la science des matériaux, la conception des processus, la techno-économie et l’évaluation du cycle de vie en tenant compte, dès le départ, du point de vue des différentes parties prenantes

Grâce à des simulations avancées et à l’apprentissage machine, PrISMa peut identifier les solutions les plus efficaces et les plus durables, et prédire les performances des nouveaux matériaux, ce qui en fait un outil performant dans la lutte contre le changement climatique.

Évaluer des indicateurs clés de performance

PrISMa évalue quatre indicateurs clés de performance (ICP), ou «couches», pour estimer la viabilité d’un matériau de captage du carbone, depuis son développement initial jusqu’à sa mise en œuvre dans une installation complète de captage du carbone.

1. Couche Matériaux: à l’aide de données expérimentales et de simulations moléculaires, la plateforme prédit les propriétés d’adsorption des matériaux absorbants potentiels.
2. Couche Processus: PrISMa calcule les paramètres de performance du processus, tels que la pureté, la récupération et les besoins énergétiques.
3. Couche Analyse techno-économique: PrISMa évalue la viabilité économique et technique d’une installation de captage du carbone.
4. Couche Évaluation du cycle de vie: PrISMa évalue les effets de l’installation sur l’environnement tout au long du cycle de vie, garantissant ainsi une durabilité globale.

Les quatre couches de la plateforme PrISMa. Crédit: Charalambous et al. 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07683-8

Tester PrISMa sur des études de cas

Les scientifiques ont utilisé PrISMa pour comparer plus de soixante études de cas concrets, dans lesquels le CO₂ est capturé à partir de diverses sources dans cinq régions du monde avec différentes technologies. En considérant les points de vue des différentes parties prenantes, PrISMa a permis d’identifier les solutions les plus efficaces et les plus durables.

«L’une des caractéristiques uniques de la plateforme PrISMa est sa capacité à prédire les performances des nouveaux matériaux à l’aide de simulations avancées et de l’apprentissage machine, déclare Berend Smit. Cette approche innovante accélère la découverte de matériaux performants pour le captage du carbone, dépassant ainsi les méthodes traditionnelles par essais-erreurs.»

Simulations moléculaires

La plateforme intègre la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la simulation moléculaire pour prédire les propriétés des matériaux nécessaires à la conception du processus. L’équipe a testé cette approche sur une installation de captage du CO₂ en observant les émissions indirectes sur 30 ans d’exploitation de l’installation. Puis elle l’a associée à une évaluation technico-économique, qui a estimé le coût du processus.

«Nous avons réussi à associer le mouvement des électrons au niveau DFT pour calculer la quantité totale de CO₂ capturée sur les 30 ans de durée de vie d’une installation de captage, ainsi que les coûts», indique Berend Smit.

Le point de vue des parties prenantes

PrISMa apporte des informations précieuses aux différentes parties prenantes. Elle fournit aux ingénieurs les outils nécessaires pour concevoir les processus de captage du carbone les plus efficaces et les plus rentables, et oriente les chimistes sur les caractéristiques moléculaires qui améliorent les performances des matériaux.

Les gestionnaires de l’environnement ont accès à des évaluations complètes des effets sur l’environnement, ce qui leur permet de prendre des décisions plus éclairées, tandis que les investisseuses et investisseurs bénéficient d’analyses économiques détaillées qui réduisent les risques et les incertitudes liés à l’investissement dans les nouvelles technologies.

Découvrir de nouveaux matériaux

PrISMa peut accélérer la découverte de matériaux performants pour le captage du carbone, dépassant ainsi les méthodes traditionnelles par essais-erreurs. Ses outils interactifs permettent aux utilisatrices et utilisateurs d’explorer plus de 1200 matériaux et de comprendre les compromis entre le coût, l’impact environnemental et les performances techniques.

Cette approche globale garantit que les solutions choisies capturent le CO₂ de manière efficace tout en réduisant les effets sur l’environnement.

Berend Smit envisage l’utilisation de PrISMa notamment dans la découverte de réseaux organométalliques (MOF) – des matériaux poreux pouvant être utilisés dans de nombreuses applications dont le captage du carbone. «L’idée est que les chimistes puissent télécharger les structures cristallines de leurs MOF. La plateforme classe ces matériaux pour toutes sortes de processus de captage», précise-t-il. «Ainsi, même les chimistes qui ne maîtrisent pas les technologies de captage du carbone peuvent déterminer quel est le MOF le plus performant et pourquoi.»

PrISMa peut accélérer le développement des technologies de captage du carbone et contribuer à atteindre l’objectif d’émissions «zéro net» en impliquant toutes les parties prenantes concernées dès le début du processus de recherche. En fournissant une évaluation complète des matériaux et processus, PrISMa permet une prise de décision plus éclairée, ce qui aboutit au développement de solutions de captage du carbone plus efficaces et plus durables.