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Nouvelle technologie membranaire pour un captage efficace du carbone

La séparation des gaz reposant sur la technologie membranaire plutôt que sur les techniques de séparation conventionnelles peut donner de meilleurs résultats en termes de réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO2) provenant des centrales électriques et de la production de ciment ainsi que de réduction des pertes d’efficacité de production.
Nouvelle technologie membranaire pour un captage efficace du carbone
L’une des méthodes les plus efficaces de captage du CO2 provenant de sources industrielles est l’oxycombustion, où l’oxygène (O2) nécessaire est séparé de l’air avant la combustion. Cette atmosphère riche en O2 et exempte d’azote permet d’obtenir des gaz de combustion finaux composés principalement de CO2 et d’eau, ce qui donne un flux de CO2 plus concentré pour une purification plus facile.

La principale demande d’énergie pour cette méthode provient de la production d’O2, qui est généralement obtenue par liquéfaction de l’air. Ce besoin en énergie est considérablement réduit par l’utilisation de modules de séparation thermiquement intégrés qui reposent sur des membranes céramiques de transport d’O2. Cela pourrait se traduire par des réductions allant jusqu’à 60 % de la demande d’énergie de captage par rapport à la séparation cryogénique de l’air et jusqu’à 40 % par rapport aux approches de captage postcombustion.

Les matériaux de membrane hautement perméables présentent une instabilité chimique au CO2 et d’autres composants des gaz de combustion. Le projet GREEN-CC, financé par l’UE, a relevé ce défi en développant des membranes extrêmement stables et un module de preuve de concept (PoC) pour la production intégrée d’O2 dans la fabrication de ciment ainsi que pour les centrales électriques à cycle combiné à oxycombustion et à gazéification intégrée.

Meilleure performance

Les chercheurs ont étudié quatre conceptions de PoC possibles à l’aide de la mécanique des fluides numérique et de l’analyse des contraintes par éléments finis. Après avoir évalué les avantages et les inconvénients de chaque concept, ils ont choisi le plus prometteur. «Il s’agissait de deux membranes asymétriques sur le côté opposé d’une couche intermédiaire, assurant à la fois la stabilité mécanique et offrant des canaux d’écoulement pour les gaz de ventilation. Les composants sont empilés dans un boîtier métallique constituant le module», explique Wilhelm Meulenberg, coordinateur du projet.

Les partenaires du projet ont également identifié et synthétisé une large gamme de matériaux à l’échelle du laboratoire pour des performances et une stabilité élevées. Ils ont également mené des expériences de perméation et des essais de stabilité pour les atmosphères contenant du CO2 et de l’oxyde de soufre (SOx). La ferrite de lanthane strontium cobalt (LSCF), qui est stable dans les conditions du CO2 issu de la combustion, a été mise à l’échelle pour le module PoC pour être utilisée comme matériau de référence. Les composants à membrane mince LSCF taille réelle (7 cm x 10 cm) ont été développés et scellés dans le module PoC et testés dans des conditions de fonctionnement réelles pendant 650 heures.

Les scientifiques ont étudié la capacité des matériaux composites à deux phases à rester très stables dans les environnements CO2 et SOx. «Afin d’augmenter les performances des membranes, plusieurs matériaux catalytiques actifs, principalement à base de praséodyme et d’oxydes de cérium, ont été testés et sélectionnés pour être utilisés comme couches superficielles poreuses sur les membranes», explique le Dr Meulenberg. «Les tests de stabilité de ces matériaux ont été effectués dans des atmosphères contenant du CO2 et du SOx et leurs performances ont été mesurées.»

Une large gamme d’applications

Le consortium a concentré sa démonstration de technologie membranaire sur une membrane de transport asymétrique à couche mince d’O2 affichant une performance supérieure caractérisée par une perméation élevée de l’O2, une sélectivité infinie de l’O2 et une stabilité élevée. De plus, d’autres modules PoC optimisés peuvent être construits en utilisant à la fois des membranes LSCF standard et des membranes biphasées.

Les matériaux très stables identifiés par les partenaires du projet sont également prometteurs dans le cadre d’une utilisation combinée à des technologies comme les réacteurs à membrane catalytique pour la production de vecteurs d’énergie chimique. «En plus du captage du CO2, GREEN-CC peut être appliqué au domaine des réacteurs à membrane catalytique pour la production de produits chimiques de base, de vecteurs d’énergie chimique, l’utilisation du CO2, la décomposition des déchets ou la séparation des gaz purs», souligne M. Meulenberg.

Les produits livrables de GREEN-CC profiteront aux membres de la communauté scientifique qui travaillent sur les membranes de séparation des gaz et les réacteurs à membrane catalytique, ainsi qu’à d’autres secteurs qui utilisent des membranes. Ils profiteront également au grand public grâce au captage du CO2 et à l’atténuation du changement climatique.

Mots-clés

GREEN-CC, séparation des gaz, capture du carbone, oxy-combustible, membranes de transport O2