Recherche d’une solution énergétique durable grâce aux réseaux métallo-organiques
Stimuler l’innovation énergétique grâce aux solutions CCS
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Se débarrasser efficacement de plus de0du dioxyde de carbone émis par les centrales au gaz naturel
Une nouvelle famille de matériaux pourrait aider à transformer la façon dont le monde réduit les émissions.
Les chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley et d’ExxonMobil ont développé un nouveau matériau, les réseaux métallo-organiques, ou MOF. La recherche est encore en phase initiale, mais s’ils sont commercialisés, ces MOF pourraient aider à capter plus de 90 % du dioxyde de carbone (CO2) produit par les centrales au gaz naturel pour produire de l’électricité. Il s’agit d’une véritable réussite, car le CO2 dans ces flux de gaz naturel est fortement dilué par rapport à celui des flux d’échappement des centrales thermiques au charbon. L’élimination de ces molécules peut donc s’avérer difficile.
Les résultats de l’étude ont été évalués par les pairs et publiés dans Science, l’une des plus grandes revues scientifiques du monde. Ce résultat est un fruit de la grande diversité de recherches d’ExxonMobil en matière de technologies de captage et de stockage du carbone (CSC).
Les CSC désignent un ensemble de technologies capables d’éliminer les émissions de CO2 avant qu’elles n’atteignent l’atmosphère. Le CO2 est ensuite stocké en toute sécurité et de manière permanente dans des réservoirs de pétrole et de gaz naturel épuisés, dans le sous-sol profond. L’une des utilisations potentielles des CSC consiste à capter les émissions dans les flux d’échappement des centrales électriques, qui représentent environ 25 % des émissions mondiales de CO2.
Aux côtés des énergies renouvelables telles que les énergies solaire et éolienne, les carburants à faibles émissions et l’hydrogène, les CSC sont essentielles pour aider la société à atteindre l’objectif d’un avenir énergétique à faible émission de carbone. L’Agence internationale de l’énergie a signalé que les objectifs de réduction des émissions de l’Accord de Paris ne pouvaient pas être atteints sans les CSC.1 Une récente étude de l’Université de Princeton a conclu que l’expansion des centrales électriques, associée au captage du carbone et à l’énergie nucléaire, était essentielle pour progresser sur la voie du zéro émission.
Les CSC ne sont pas nouvelles. ExxonMobil est le leader mondial des technologies de CSC, après avoir capté plus de 120 millions de tonnes2 de CO2 au cours des 30 dernières années. Mais ce qui est nouveau à propos de la percée Berkeley-ExxonMobil, c’est la structure moléculaire unique de ce matériau poreux, qui pourrait être adapté pour fonctionner dans un large éventail d’installations émettant du CO2.
Même s’il est prometteur, le travail sur les MOF est en phase initiale et fait partie d’une recherche à long terme de la science fondamentale visant à soutenir les technologies à faibles émissions. ExxonMobil se concentre sur la recherche scientifique fondamentale, dans le cadre de son portefeuille de R&D leader sur le marché. Cela inclut des recherches menées par les scientifiques employés par l’entreprise, en collaboration avec des universités, des laboratoires nationaux et d’autres partenaires privés.
Surmonter les défis liés à l’accès et à la consommation d’énergie durable
ÉTATS-UNIS ET EUROPE
Rien que cette année, les nouvelles centrales au gaz naturel aux États-Unis et en Europe généreront 31 gigawatts d’électricité.
ASIE
10 gigawatts supplémentaires seront mis en exploitation à partir de centrales au gaz naturel dans toute l’Asie.5
INDE
En Inde, où les pannes de courant affectent des millions de personnes6, des projets sont en cours de développement pour stimuler la production d’énergie en doublant la part de gaz naturel dans le mix énergétique du pays.7
D’ici 2040, la demande mondiale en électricité devrait augmenter de 60 %
La demande en énergie, y compris en électricité, va augmenter à mesure que les communautés se rétabliront de la pandémie et que le niveau de vie continuera à s’améliorer. En fait, d’ici 2040, la demande mondiale en électricité devrait augmenter de 60 %,3 et le gaz naturel générera une part croissante de cette nouvelle production. Mais la production d’électricité représentant un quart des émissions mondiales de gaz à effet de serre4, le défi est de répondre à cette demande d’électricité sûre et fiable tout en atténuant les risques associés au changement climatique.
La demande en énergie, y compris en électricité, va augmenter à mesure que les communautés se rétabliront de la pandémie et que le niveau de vie continuera à s’améliorer. En fait, d’ici 2040, la demande mondiale en électricité devrait augmenter de 60 %,3 et le gaz naturel générera une part croissante de cette nouvelle production. Mais la production d’électricité représentant un quart des émissions mondiales de gaz à effet de serre4, le défi est de répondre à cette demande d’électricité sûre et fiable tout en atténuant les risques associés au changement climatique.
Pour tenir ses promesses, les CSC doivent capter plus de CO2 avec moins d’énergie, et c’est le défi que les chercheurs de Berkeley et d’ExxonMobil s’efforcent de relever grâce à leurs recherches en cours sur le concept révolutionnaire des MOF.
POUR EN SAVOIR PLUS SUR LES SCIENTIFIQUES ET LEURS MOF QUI CAPTENT LE CARBONE, FAITES DÉFILER VERS LE BAS.
Que sont les MOF et pourquoi pourraient-ils constituer une solution puissante pour lutter contre le changement climatique ?
Depuis plus de huit ans, deux scientifiques, Jeffrey Long de l’UC Berkeley et Simon Weston, de chez ExxonMobil, ont testé sans relâche avec leurs équipes leurs hypothèses d’utilisation de la structure poreuse des MOF afin de capter efficacement le CO2.
Les MOF sont...
GRANDS ET POREUX
Au niveau moléculaire, les MOF présentent certaines des plus grandes surfaces internes connues de l’homme. Déplié, un gramme du matériau, ayant à peu près le poids d’un trombone, pourrait couvrir l’ensemble d’un terrain de football. La structure en nid d’abeille des pores de taille nanométrique des MOF peut capter les émissions de CO2 comme une éponge, et le rapport surface/volume élevé en fait un matériau potentiellement idéal pour soutenir et améliorer les technologies de CSC actuelles.
POLYVALENT ET RÉUTILISABLE
Les MOF peuvent être conçus à l’aide de produits chimiques pour créer des matériaux hautement personnalisables et très prometteurs dans de nombreuses applications, y compris les CSC. À basses températures, les molécules des MOF forment une liaison solide avec le CO2. Une chaleur modérée permet ensuite d’éloigner les molécules de CO2 pour les collecter et les stocker. Une fois débarrassé du CO2 , les MOF reviennent à leur état d’origine, ce qui rend le matériau réutilisable même après un contact répété avec la chaleur et la vapeur qui balaie l’émission captée.
COPIÉ PAR LA NATURE
Les pores des MOF sont également doublés de molécules d’amine spécifiques qui attrapent le CO2 de manière sélective par le biais d’un mécanisme unique. Ce mécanisme de captage ressemble à la RuBisCO, une enzyme clé que l’on trouve dans les plantes et qui est à la base de l’un des processus de captage du carbone les plus efficaces de la nature : la photosynthèse.
EFFICACE
Imitant un processus naturel appelé liaison coopérative, le captage d’une seule molécule de CO2 permet aux MOF de lier plus facilement d’autres molécules de CO2 jusqu’à ce qu’ils soient totalement saturés. Le processus de captage est également économe en énergie, car la collecte du CO2 en dehors du matériau nécessite uniquement de la vapeur, déjà largement disponible dans les centrales au gaz naturel.
Les recherches se poursuivent, mais Long et Weston montrent que l’utilisation des MOF pourrait rendre possibles des CSC économes en énergie.
Le parcours vers la recherche d’une solution énergétique durable
La perspective d’un « moment Eureka » n’est pas ce qui a poussé Long, Weston et les membres de leurs équipes à devenir des scientifiques. Comme bon nombre de leurs pairs, ils se sont fixés pour objectif de s’appuyer sur le travail de leurs prédécesseurs pour contribuer à la compréhension de problèmes complexes de chimie. Si Long et Weston espéraient que leurs contributions ouvriraient la voie à une découverte majeure, ils savaient que cette tâche prend souvent des années, voire des décennies.
Ainsi, lorsque leur travail a conduit à une découverte qui pourrait aider à résoudre l’un des défis environnementaux les plus urgents pour le monde, cela a représenté un moment bouleversant pour eux.
Regardez Weston, Long et Eugene Kim, un membre de l’équipe de recherche de Long qui a joué un rôle essentiel dans la mise en œuvre de cette découverte, expliquer ce que la science signifie pour eux. Découvrez également comment les MOF qu’ils ont contribué à développer pourraient transformer le gaz naturel en un carburant encore moins polluant.
La possibilité de travailler sur le changement climatique, sur la capture du CO2 en particulier, et de savoir que cela pourrait faire une grande différence pour le monde, est une opportunité incroyable.
Que se passera-t-il ensuite ?
Des recherches supplémentaires sont nécessaires avant que les scientifiques et leurs équipes puissent utiliser leurs MOF dans une usine prototype afin de tester leurs performances dans un environnement réel. L’accélération du déploiement des CSC nécessite également un ensemble approprié de cadres réglementaires et politiques, y compris des mesures fiscales incitatives, pour stimuler les investissements dans une infrastructure CSC étendue.
Cependant, les recherches de Long et Weston confirment que la science et son processus volontaire continueront à conduire la transition du monde vers un avenir énergétique à faible émission de carbone.
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1. Agence internationale de l’énergie (AIE), « The world needs to build on the growing momentum behind carbon capture » (Le monde doit s’appuyer sur la dynamique croissante qui porte le captage du carbone) https://www.iea.org/news/the-world-needs-to-build-on-the-growing-momentum-behind-carbon-capture
2. ExxonMobil, Exxonmobil.com https://corporate.exxonmobil.com/Energy-and-innovation/Carbon-capture-and-storage
3. Agence internationale de l’énergie (AEI), « Electricity Market Report – December 2020 (Rapport sur le marché de l’électricité – décembre 2020) » https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
4. Agence internationale de l’énergie (AEI), « Electricity Market Report – December 2020 (Rapport sur le marché de l’électricité – décembre 2020) » https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
5. Agence internationale de l’énergie (AEI), « Electricity Market Report – December 2020 (Rapport sur le marché de l’électricité – décembre 2020) » https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
6. Conseil de l’énergie, de l’environnement et de l’eau, communément appelé CEEW, « State of Electricity Access in India – October 2020 (L’accès à l’électricité en Inde – octobre 2020) » https://www.ceew.in/sites/default/files/CEEW%20-%20India%20Residential%20Energy%20Survey%20-%20State%20of%20Electricity%20Access%20%2005Oct20.pdf
7. Agence internationale de l’énergie (AIE), « India Energy Outlook 2021 (Aperçu sur l’énergie en Inde en 2021) » https://www.iea.org/reports/india-energy-outlook-2021
