Transformer le CO2 en ressource reste un défi énergétique et économique

Un extrait de « CO₂ (dioxyde de carbone) », par Pierre LE CLOIREC

Le CO₂ est une molécule stable, relativement inerte, qui correspond au degré ultime d’oxydation du carbone. Cette propriété explique à la fois sa présence massive dans les fumées de combustion et la difficulté à le transformer ensuite en produits utiles. Cependant, en solution aqueuse, il se comporte comme un gaz acide et peut former des carbonates ou des hydrogénocarbonates, ce qui constitue l’une des bases de plusieurs procédés de capture ou de valorisation.

Dans les fumées issues de combustions fossiles ou de procédés industriels, le CO₂ est mêlé à de la vapeur d’eau, du diazote, du dioxygène et d’autres composés. La première étape consiste donc à l’enrichir, puis à le séparer, afin de réduire les volumes à traiter et de pouvoir l’utiliser comme matière première. Les techniques disponibles sont surtout pertinentes pour des sources importantes et concentrées, comme les centrales thermiques, les cimenteries, les raffineries, la sidérurgie, la pétrochimie ou la production d’engrais. Elles le sont beaucoup moins pour les faibles flux ou les faibles concentrations, notamment le captage direct du CO₂ dans l’air.

Trois grandes logiques de captage coexistent. La postcombustion, appliquée sur des fumées déjà produites, est la mieux maîtrisée mais aussi la plus coûteuse. La précombustion transforme le combustible en gaz de synthèse, puis sépare le CO₂ tout en produisant de l’hydrogène valorisable. L’oxycombustion, moins développée, vise des fumées très riches en CO₂, mais impose une combustion à l’oxygène pur, dont la production reste coûteuse.

Des procédés de séparation à arbitrer

L’absorption gaz-liquide est la voie la plus installée industriellement. Elle exploite le caractère acide du CO₂ par lavage dans une solution basique, souvent la monoéthylamine. Le procédé fonctionne en continu, avec une colonne d’absorption puis une colonne de régénération thermique entre 100 et 125 °C. Son avantage est de produire un gaz fortement concentré en CO₂, mais sa limite tient à l’énergie nécessaire pour régénérer le solvant. Des solvants moins énergivores et des amines fixées sur un matériau solide poreux sont en voie de développement.

L’adsorption repose sur le piégeage du CO₂ par des matériaux solides très poreux, dotés d’une grande surface spécifique, comme des zéolithes, des tamis moléculaires, de l’alumine ou des charbons actifs. Les cycles peuvent fonctionner par adsorption modulée par variation de pression ou par adsorption modulée par variation de température, la première étant jugée plus intéressante du fait d’une consommation énergétique moindre et d’une régénération plus rapide. Son avantage est la simplicité et la répétition des cycles, mais les adsorbants manquent parfois de sélectivité et le procédé se prête mal aux très forts débits de fumées.

D’autres voies existent, avec des maturités différentes. La cryocondensation permet d’obtenir une pureté finale élevée, supérieure à 95 %, mais exige de très basses températures et reste limitée à des démonstrateurs ou à de petites installations. Les membranes concentrent le CO₂ dans le perméat, mais les rendements à basse température, le colmatage par particules ou l’attaque par des gaz acides limitent encore leur déploiement. Leur coût est estimé à environ deux fois celui d’un lavage aux amines. Les hydrates de gaz constituent enfin une voie plus spécifique, fondée sur des cages d’eau piégeant le CO₂ sous certaines conditions de pression et de température.

La valorisation garde un rôle ciblé

La valorisation ne peut pas absorber, à elle seule, les flux massiques considérables de CO₂ émis. Elle consiste néanmoins à l’utiliser comme matière première ou fluide industriel. Les usages directs sont déjà établis dans l’extraction au CO₂ supercritique, la stérilisation, le nettoyage, le traitement des eaux, la correction de pH, la gazéification des boissons ou certains usages biotechnologiques. La consommation industrielle mondiale pour usages directs est évaluée à 230 MtCO₂ par an.

La transformation chimique ouvre d’autres débouchés. Le CO₂ peut servir à produire de l’urée, du bicarbonate d’ammonium, des polycarbonates ou de l’acide salicylique. Des développements portent aussi sur les carbonates organiques, des acides carboxyliques, des esters, des lactones, des amides et des carbamates. Dans les matériaux, la formation de carbonates inorganiques, comme le carbonate de fer, intéresse notamment la construction. L’hydrogénation permet aussi d’envisager la production d’alcools ou de gaz de synthèse.

La voie biologique repose pour sa part sur l’utilisation du CO₂ comme nutriment. Les microalgues, cultivées en réacteurs ouverts ou fermés, peuvent fournir des lipides, des protéines, des composés pour la pharmacie ou la parapharmacie. En traitement des eaux usées, le CO₂ peut aussi être consommé par des microorganismes lors de réactions de nitrification. La biocatalyse et les photobioréacteurs relèvent encore de la recherche-développement pour certaines applications.

Le critère décisif reste donc le bilan global. Les voies les plus prometteuses devront combiner sobriété énergétique, coût acceptable, disponibilité d’un CO₂ suffisamment pur et débouchés réels. Une analyse du cycle de vie, un bilan technico-économique et une étude des coûts sont indispensables avant de présenter le CO₂ capté comme une ressource plutôt que comme un déchet simplement déplacé.