La nouvelle technologie de l'ETH Zurich pourrait transformer les cimenteries en hubs de capture de CO2

Introduction : Repenser la production de ciment

L'industrie du ciment est l'une des plus grandes sources industrielles d'émissions de dioxyde de carbone, représentant environ 8 % des émissions mondiales de CO2. Pendant des décennies, les efforts pour décarboner ce secteur se sont concentrés sur le captage et le stockage du carbone (CSC), mais le coût énergétique élevé et le prix ont entravé une adoption généralisée. Aujourd'hui, des chercheurs de l'ETH Zurich ont dévoilé une nouvelle approche qui pourrait non seulement réduire les émissions des cimenteries, mais aussi leur permettre de retirer le CO2 de l'atmosphère, transformant un ennemi du climat en héros du climat.

Le défi de la décarbonation du ciment

La production de ciment libère du CO2 provenant de deux sources principales : la combustion de combustibles fossiles pour chauffer le four (environ 40 % des émissions) et le processus chimique de calcination du calcaire (environ 60 % des émissions). Ce dernier est inhérent au processus et ne peut être évité en passant aux énergies renouvelables. Les méthodes traditionnelles de CSC capturent le CO2 des gaz de combustion, mais elles nécessitent beaucoup d'énergie pour la séparation et la compression, ce qui les rend coûteuses et réduit l'efficacité de l'usine.

L'innovation de l'ETH Zurich

La nouvelle technologie, développée par une équipe dirigée par le professeur Marco Mazzotti, adopte une approche différente. Au lieu de capturer le CO2 des gaz de combustion, le processus intègre la capture du carbone directement dans la ligne de production de ciment. La clé est d'utiliser un cycle de boucle de calcium, où un sorbant à base de calcium (comme l'oxyde de calcium) est utilisé pour absorber le CO2 des gaz de combustion, formant du carbonate de calcium. Le carbonate est ensuite chauffé dans un réacteur séparé pour libérer un flux pur de CO2, qui peut être stocké ou utilisé, et l'oxyde de calcium est recyclé.

Ce qui rend cette innovation unique, c'est la manière dont elle est intégrée au four à ciment. La chaleur résiduelle du four est utilisée pour entraîner la calcination du carbonate de calcium, réduisant ainsi la pénalité énergétique. De plus, le processus peut être conçu pour fonctionner en mode « émissions négatives » : en utilisant de la biomasse comme combustible ou en capturant le CO2 de l'air dans une étape préalable, l'usine pourrait retirer plus de CO2 de l'atmosphère qu'elle n'en émet.

Comment cela fonctionne : aperçu étape par étape

• Les gaz de combustion du four à ciment passent à travers un réacteur de carbonatation contenant de l'oxyde de calcium (CaO).
• Le CaO réagit avec le CO2 pour former du carbonate de calcium (CaCO3), éliminant le CO2 du flux de gaz.
• Le CaCO3 est ensuite transféré dans un calcinateur, où il est chauffé à haute température (environ 900 °C) en utilisant de l'oxygène et du combustible, libérant un flux de CO2 pur.
• Le CO2 est comprimé et prêt pour le stockage ou l'utilisation, tandis que le CaO régénéré est renvoyé dans le carbonateur.
• La chaleur pour le calcinateur est fournie par la combustion de combustible dans un environnement riche en oxygène (oxycombustion), et le gaz de combustion résultant est presque pur en CO2, ce qui facilite la capture.

Impact potentiel sur les émissions

Selon les chercheurs, cette technologie pourrait capturer jusqu'à 90 % des émissions de CO2 d'une cimenterie. Si elle est combinée à des combustibles issus de la biomasse ou à la capture directe de l'air, elle pourrait même atteindre des émissions nettes négatives. Cela changerait la donne pour l'industrie du ciment, qui est de plus en plus pressée de réduire son empreinte carbone. Le système d'échange de quotas d'émission de l'Union européenne et d'autres mécanismes de tarification du carbone rendent les produits à haute teneur en carbone plus chers, de sorte que les producteurs de ciment sont désireux de trouver des solutions rentables.

Viabilité économique et évolutivité

L'équipe de l'ETH Zurich a mené une analyse technico-économique montrant que le processus de boucle de calcium pourrait être économiquement compétitif par rapport à d'autres méthodes de capture du carbone, surtout si l'on considère le potentiel de vente du CO2 pour une utilisation dans les carburants synthétiques ou les produits chimiques. La technologie peut être installée sur des usines existantes, minimisant ainsi les coûts d'investissement. Les chercheurs travaillent maintenant sur une usine pilote pour démontrer le processus à plus grande échelle, avec l'espoir d'un déploiement commercial dans la prochaine décennie.

Défis et orientations futures

Bien que la technologie soit prometteuse, il reste des défis à surmonter. Les températures élevées requises pour la calcination et la nécessité d'un approvisionnement en oxygène augmentent les coûts d'exploitation. La durabilité du sorbant sur de nombreux cycles est également une préoccupation, car il peut se dégrader avec le temps. L'équipe explore des moyens d'améliorer la stabilité du sorbant et de réduire la consommation d'énergie. De plus, l'intégration avec les opérations existantes de l'usine nécessite une ingénierie minutieuse pour éviter les perturbations.

Implications plus larges pour l'action climatique

Si elle réussit, cette technologie pourrait contribuer de manière majeure aux objectifs climatiques mondiaux. L'industrie du ciment est considérée comme « difficile à décarboner » en raison des émissions inhérentes au processus. En permettant des émissions négatives, cette approche pourrait aider à compenser les émissions d'autres secteurs. Elle s'aligne également sur l'intérêt croissant pour les technologies d'élimination du dioxyde de carbone (EDC), qui sont essentielles pour atteindre des objectifs de zéro émission nette d'ici le milieu du siècle.

Conclusion

L'innovation de l'ETH Zurich représente une avancée significative dans la lutte contre le changement climatique. En transformant les cimenteries en installations d'élimination du CO2, elle offre une solution pratique et évolutive à l'un des secteurs industriels les plus difficiles. Bien que des recherches et développements supplémentaires soient nécessaires, les avantages potentiels sont énormes. Alors que le monde cherche à décarboner, cette technologie pourrait jouer un rôle crucial dans la construction d'un avenir durable.

Cet article est basé sur un reportage d'Interesting Engineering. Lire l'article original.