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Filtre CO2 à membrane pour centrales électriques

L’UE s’est fixé des objectifs de réduction drastique, mais peu coûteuse, des émissions de CO2 générées par les centrales électriques au charbon. Pour cela, un type spécial de membrane composite devrait faire l’affaire.
Filtre CO2 à membrane pour centrales électriques
Le CO2 est l’un des principaux gaz à effet de serre et est émis en grande quantité par les centrales au charbon. Si ces installations sont amenées à devenir obsolètes, les exploitants s’efforcent de réduire le plus possible leurs émissions de CO2 tant qu’elles restent en service.

Un nouveau type de matériau appelé membranes polymères est capable de filtrer de manière sélective certains gaz de l’air. Cependant, ces membranes ne peuvent pas faire preuve à la fois de sélectivité et de perméabilité. En revanche, les membranes à matrice mixte pourraient théoriquement remédier à ce problème, bien que le gain de performance n’ait pas encore été atteint.

Membranes à matrice mixte

Un type de membrane nouveau, mais encore peu testé, baptisé M4, membranes à matrice mixte à base de cadres organométalliques (MOF), devrait résoudre les incompatibilités entre les membranes et les polymères. Les MOF sont des matériaux cristallins poreux constitués de liaisons organiques et de nœuds inorganiques. Les MOF fonctionnent essentiellement comme des tamis conçus avec soin qui, selon l’application, laissent passer certaines molécules, mais pas d’autres.

Le projet M4CO2, financé par l’UE, a mis au point un système de filtration du CO2 à haut rendement énergétique basé sur une membrane M4. L’objectif était d’assurer la mise en conformité avec les plans de l’UE visant une réduction de 90 % des émissions de CO2 à un coût inférieur à 25 euros par tonne de CO2. Le projet a également permis de développer de nouveaux MOF et polymères, et d’améliorer la compréhension théorique de l’interaction entre les composants. L’équipe a également mis au point des prototypes de validation de principe et des techniques de mise à l’échelle.

«Notre principal résultat parmi tant d’autres, trop nombreux pour être mentionnés, a été le développement et la démonstration réussis d’une nouvelle technologie M4 adaptée au captage continu du CO2», déclare le professeur Freek Kapteijn, chef du projet.

Filtration efficace et bon marché

Les chercheurs ont estimé que le coût de l’élimination par M4 du CO2 de précombustion à l’aide de la nouvelle technologie serait inférieur à 20 euros par tonne de CO2. Cependant, en fonction des pressions exercées dans le cadre d’un processus en trois étapes, les coûts pourraient être encore réduits à 16 euros par tonne. Le coût d’une élimination après combustion devrait être de l’ordre de 28 euros par tonne. Un procédé en deux étapes combinant des membranes très sensibles à faible flux et leurs contraires serait comparable aux meilleurs procédés de lavage au carbone. Le lavage consiste à faire circuler un liquide qui absorbe le CO2 à basse température et le libère à haute température.

L’équipe a également conçu des modules membranaires à fibres creuses, qui renferment des faisceaux de fibres creuses dans un boîtier cylindrique. Le mélange de gaz à séparer est introduit dans une extrémité du module pour ensuite circuler autour des fibres, avant d’être évacué par l’autre extrémité. «La production à grande échelle de membranes à fibres creuses a posé un défi de taille», note le professeur Kapteijn. «Les membranes de laboratoire ont bien fonctionné, mais elles n’ont pas fonctionné comme prévu lors des essais sur le terrain.» Malgré les revers essuyés, l’équipe a appris à fabriquer les matériaux et les modules.

La technologie de membrane du projet M4CO2 peut être appliquée à tout gaz contenant du CO2. La technologie élimine non seulement le CO2 des gaz de charbon après combustion et avant leur rejet dans l’atmosphère, mais elle élimine également le CO2 des gaz de précombustion. Ce procédé génère un gaz riche en hydrogène qui répond aux critères d’une combustion propre.

Dans d’autres contextes, la technologie mise au point par M4CO2 pourrait s’appliquer aux unités de production d’hydrogène, notamment celles développées par le projet HyGear de l’UE. Chaque type de séparation nécessite une conception optimisée de la membrane.

Si le projet a touché à sa fin, les travaux se poursuivront dans le cadre de MEMBRE, un nouveau projet Horizon 2020 qui rassemble plusieurs partenaires de M4CO2. Le nouveau projet poursuivra le développement de diverses applications pour le captage continu du CO2 et analysera les perspectives du marché.

Mots-clés

M4CO2, CO2, MOF, émissions, membranes à matrice mixte, filtration, centrale électrique au charbon, membrane polymère, cadres organométalliques