Les cimenteries comme celle-ci sont une source importante de dioxyde de carbone, gaz à effet de serre. Cependant, une partie de ces polluants peut être transformée en un nouveau type de carburant. Ce sel peut être stocké en toute sécurité pendant des décennies, voire plus.
Voici un autre article d'une série consacrée aux nouvelles technologies et aux actions susceptibles de ralentir le changement climatique, d'en réduire les impacts ou d'aider les communautés à faire face à un monde en évolution rapide.
Les activités qui rejettent du dioxyde de carbone (CO2), un gaz à effet de serre courant, contribuent au réchauffement de l'atmosphère terrestre. L'idée d'extraire le CO2 de l'air et de le stocker n'est pas nouvelle. Mais sa mise en œuvre est complexe, notamment en termes de coût. Un nouveau système propose une solution différente au problème de la pollution au CO2 : il convertit chimiquement ce gaz à effet de serre en carburant.
Le 15 novembre, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) de Cambridge ont publié leurs résultats révolutionnaires dans la revue Cell Reports Physical Science.
Leur nouveau système se divise en deux parties. La première consiste à convertir le dioxyde de carbone de l'air en une molécule appelée formiate pour produire du carburant. Comme le dioxyde de carbone, le formiate contient un atome de carbone, deux atomes d'oxygène et un atome d'hydrogène. Il contient également plusieurs autres éléments. La nouvelle étude a utilisé du sel de formiate, dérivé du sodium ou du potassium.
La plupart des piles à combustible fonctionnent à l'hydrogène, un gaz inflammable dont le transport nécessite des canalisations et des réservoirs sous pression. Cependant, elles peuvent également fonctionner au formiate. Selon Li Ju, spécialiste des matériaux qui a dirigé le développement de ce nouveau système, le formiate possède un contenu énergétique comparable à celui de l'hydrogène. Li Ju souligne que le formiate présente certains avantages par rapport à l'hydrogène : il est plus sûr et ne requiert pas de stockage sous haute pression.
Des chercheurs du MIT ont créé une pile à combustible pour tester le formiate, qu'ils produisent à partir de dioxyde de carbone. Ils ont d'abord mélangé le sel avec de l'eau. Le mélange a ensuite été introduit dans la pile à combustible. À l'intérieur de celle-ci, le formiate a libéré des électrons lors d'une réaction chimique. Ces électrons ont circulé de l'électrode négative à l'électrode positive, fermant ainsi un circuit électrique. Ce courant électrique a été maintenu pendant 200 heures au cours de l'expérience.
Zhen Zhang, un scientifique des matériaux qui travaille avec Li au MIT, est optimiste quant à la capacité de son équipe à industrialiser cette nouvelle technologie d'ici une décennie.
L'équipe de recherche du MIT a utilisé une méthode chimique pour convertir le dioxyde de carbone en un ingrédient clé pour la production de carburant. Dans un premier temps, ils l'ont exposé à une solution fortement alcaline. Ils ont choisi l'hydroxyde de sodium (NaOH), plus communément appelé soude caustique. Cela déclenche une réaction chimique qui produit du bicarbonate de sodium (NaHCO3), plus connu sous le nom de bicarbonate de soude.
Ils ont ensuite mis le courant. Le courant électrique a déclenché une nouvelle réaction chimique qui a scindé chaque atome d'oxygène de la molécule de bicarbonate de soude, laissant derrière lui du formiate de sodium (NaCHO2). Leur système a converti la quasi-totalité du carbone du CO2 — plus de 96 % — en ce sel.
L'énergie nécessaire à l'élimination de l'oxygène est stockée dans les liaisons chimiques du formiate. Le professeur Li a souligné que le formiate peut emmagasiner cette énergie pendant des décennies sans perte d'énergie potentielle. Il produit ensuite de l'électricité lorsqu'il traverse une pile à combustible. Si l'électricité utilisée pour produire le formiate provient de l'énergie solaire, éolienne ou hydroélectrique, l'électricité générée par la pile à combustible constituera une source d'énergie propre.
Pour développer cette nouvelle technologie à plus grande échelle, explique Lee, « il nous faut trouver d'importantes ressources géologiques de lessive de soude ». Il a étudié un type de roche appelé basalte alcalin. Mélangées à de l'eau, ces roches se transforment en lessive de soude.
Farzan Kazemifar est ingénieur à l'Université d'État de San José, en Californie. Ses recherches portent sur le stockage du dioxyde de carbone dans des formations salines souterraines. Selon lui, extraire le dioxyde de carbone de l'air a toujours été difficile et donc coûteux. Il est donc rentable de convertir le CO₂ en produits utilisables comme le formiate. Le coût du produit peut compenser les coûts de production.
De nombreuses recherches ont été menées sur la capture du dioxyde de carbone atmosphérique. Par exemple, une équipe de scientifiques de l'université Lehigh a récemment décrit une nouvelle méthode de filtration du dioxyde de carbone et de sa conversion en bicarbonate de soude. D'autres équipes de recherche stockent le CO₂ dans des roches spéciales, le transformant en carbone solide qui peut ensuite être transformé en éthanol, un carburant alcoolisé. La plupart de ces projets sont à petite échelle et n'ont pas encore permis de réduire significativement les niveaux élevés de dioxyde de carbone dans l'air.
Cette image représente une maison fonctionnant au dioxyde de carbone. Le dispositif illustré transforme le dioxyde de carbone (les molécules contenues dans les bulles rouges et blanches) en un sel appelé formiate (les bulles bleues, rouges, blanches et noires). Ce sel peut ensuite être utilisé dans une pile à combustible pour produire de l'électricité.
Kazemifar a déclaré que notre meilleure option est de « réduire d'abord les émissions de gaz à effet de serre ». L'un des moyens d'y parvenir est de remplacer les combustibles fossiles par des sources d'énergie renouvelables comme l'éolien ou le solaire. Cela fait partie d'une transition que les scientifiques appellent « décarbonation ». Mais il a ajouté que la lutte contre le changement climatique nécessitera une approche multidimensionnelle. Cette nouvelle technologie est indispensable pour capter le carbone dans les secteurs difficiles à décarboner, a-t-il précisé. Prenons par exemple les aciéries et les cimenteries.
L'équipe du MIT entrevoit également des avantages à combiner sa nouvelle technologie avec l'énergie solaire et éolienne. Les batteries traditionnelles sont conçues pour stocker l'énergie pendant plusieurs semaines. Stocker l'énergie solaire estivale jusqu'en hiver, voire plus longtemps, exige une approche différente. « Avec le formiate comme combustible », explique Lee, « on n'est plus limité à un stockage saisonnier. Il pourrait s'agir d'un stockage sur plusieurs générations. »
« Ça ne brillera peut-être pas comme de l’or, mais je peux laisser 200 tonnes… de formiate à mes fils et mes filles », a déclaré Lee, « en héritage. »
Alcalin : adjectif qualifiant une substance chimique qui forme des ions hydroxyde (OH⁻) en solution. Ces solutions sont également dites alcalines (par opposition à acides) et ont un pH supérieur à 7.
Aquifère : Formation rocheuse capable de contenir des réserves d’eau souterraines. Le terme s’applique également aux bassins souterrains.
Basalte : Roche volcanique noire généralement très dense (sauf si une éruption volcanique y a laissé de grandes poches de gaz).
Liaison : (en chimie) connexion semi-permanente entre atomes (ou groupes d’atomes) au sein d’une molécule. Elle se forme grâce aux forces d’attraction entre les atomes impliqués. Une fois les liaisons formées, les atomes fonctionnent comme une seule unité. Pour séparer les atomes constitutifs, il est nécessaire de fournir de l’énergie aux molécules sous forme de chaleur ou d’un autre rayonnement.
Carbone : Élément chimique fondamental à toute vie sur Terre. Le carbone existe à l’état libre sous forme de graphite et de diamant. Il constitue un composant essentiel du charbon, du calcaire et du pétrole, et peut s’auto-associer chimiquement pour former une grande variété de molécules d’intérêt chimique, biologique et commercial. (Dans le domaine de la recherche climatique) Le terme « carbone » est parfois utilisé de manière quasi interchangeable avec « dioxyde de carbone » pour désigner l’impact potentiel d’une action, d’un produit, d’une politique ou d’un processus sur le réchauffement climatique à long terme.
Le dioxyde de carbone (CO₂) est un gaz incolore et inodore produit par tous les animaux lorsque l'oxygène qu'ils respirent réagit avec les aliments riches en carbone qu'ils consomment. Il est également libéré lors de la combustion de matières organiques, notamment de combustibles fossiles comme le pétrole ou le gaz naturel. Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre qui retient la chaleur dans l'atmosphère terrestre. Les plantes transforment le dioxyde de carbone en oxygène par photosynthèse et utilisent ce processus pour produire leur propre nourriture.
Ciment : Liant utilisé pour agglomérer deux matériaux et les solidifier, ou colle épaisse servant à lier deux matériaux. (Construction) Matériau finement broyé utilisé pour lier le sable ou les roches concassées et former du béton. Le ciment se présente généralement sous forme de poudre. Au contact de l’eau, il se transforme en une pâte qui durcit en séchant.
Substance chimique : Substance composée de deux atomes ou plus liés entre eux selon une proportion et une structure fixes. Par exemple, l’eau est une substance chimique composée de deux atomes d’hydrogène liés à un atome d’oxygène. Sa formule chimique est H₂O. « Chimique » peut également être employé comme adjectif pour décrire les propriétés d’une substance résultant de diverses réactions entre différents composés.
Liaison chimique : Force d’attraction entre atomes suffisamment forte pour que les éléments liés fonctionnent comme une seule entité. Certaines liaisons sont faibles, d’autres fortes. Toutes les liaisons semblent connecter les atomes par partage (ou tentative de partage) d’électrons.
Réaction chimique : Processus impliquant un réarrangement des molécules ou des structures d'une substance plutôt qu'un changement de forme physique (par exemple, de l'état solide à l'état gazeux).
Chimie : branche de la science qui étudie la composition, la structure, les propriétés et les interactions des substances. Les scientifiques utilisent ces connaissances pour étudier des substances inconnues, reproduire des substances utiles en grande quantité ou concevoir et créer de nouvelles substances utiles. (Pour les composés chimiques) La chimie désigne également la formule d'un composé, sa méthode de préparation ou certaines de ses propriétés. Les personnes qui travaillent dans ce domaine sont appelées chimistes. (En sciences sociales) Capacité des individus à coopérer, à s'entendre et à apprécier la compagnie des autres.
Changement climatique : Modification importante et durable du climat terrestre. Ce changement peut être d’origine naturelle ou résulter d’activités humaines, comme la combustion d’énergies fossiles et la déforestation.
La décarbonation désigne la transition volontaire vers des technologies, des activités et des sources d'énergie moins polluantes, qui émettent dans l'atmosphère des gaz à effet de serre carbonés tels que le dioxyde de carbone et le méthane. Son objectif est de réduire la quantité de gaz carbonés contribuant au changement climatique.
Électricité : Flux de charges électriques, généralement dû au mouvement de particules chargées négativement appelées électrons.
Électron : particule chargée négativement qui orbite généralement autour de la région externe d'un atome ; il est également le vecteur de l'électricité dans les solides.
Ingénieur : Personne qui utilise les sciences et les mathématiques pour résoudre des problèmes. En tant que verbe, le mot « ingénieur » désigne la conception d’un dispositif, d’un matériau ou d’un procédé visant à résoudre un problème ou à répondre à un besoin non satisfait.
Éthanol : Alcool, également appelé alcool éthylique, qui constitue la base des boissons alcoolisées telles que la bière, le vin et les spiritueux. Il est également utilisé comme solvant et carburant (par exemple, souvent mélangé à de l’essence).
Filtre : (n.) Dispositif permettant le passage de certaines substances et d’autres, selon leur taille ou d’autres caractéristiques. (v.) Processus de sélection de certaines substances en fonction de propriétés telles que la taille, la densité, la charge, etc. (en physique) Écran, plaque ou couche d’une substance absorbant la lumière ou d’autres rayonnements, ou empêchant sélectivement le passage de certains de ses composants.
Formate : Terme générique désignant les sels ou esters de l’acide formique, une forme oxydée d’un acide gras. (Un ester est un composé carboné obtenu par substitution des atomes d’hydrogène de certains acides par certains types de groupements organiques. De nombreuses graisses et huiles essentielles sont des esters naturels d’acides gras.)
Combustible fossile : tout combustible, tel que le charbon, le pétrole (pétrole brut) ou le gaz naturel, qui s'est formé pendant des millions d'années à l'intérieur de la Terre à partir des restes décomposés de bactéries, de plantes ou d'animaux.
Combustible : Toute substance qui libère de l’énergie par une réaction chimique ou nucléaire contrôlée. Les combustibles fossiles (charbon, gaz naturel et pétrole) sont des combustibles courants qui libèrent de l’énergie par des réactions chimiques lorsqu’ils sont chauffés (généralement jusqu’à combustion).
Pile à combustible : dispositif convertissant l’énergie chimique en énergie électrique. Le combustible le plus courant est l’hydrogène, dont le seul sous-produit est la vapeur d’eau.
Géologie : Adjectif qualifiant tout ce qui concerne la structure physique de la Terre, ses matériaux, son histoire et les processus qui s’y déroulent. Les personnes qui travaillent dans ce domaine sont appelées géologues.
Réchauffement climatique : augmentation progressive de la température globale de l’atmosphère terrestre due à l’effet de serre. Ce phénomène est causé par l’augmentation des concentrations de dioxyde de carbone, de chlorofluorocarbones et d’autres gaz dans l’air, dont beaucoup sont émis par les activités humaines.
L'hydrogène : l'élément le plus léger de l'univers. À l'état gazeux, il est incolore, inodore et extrêmement inflammable. Il entre dans la composition de nombreux carburants, graisses et substances chimiques constituant les tissus vivants. Il est composé d'un proton (le noyau) et d'un électron qui gravite autour de ce proton.
Innovation : (v. innover ; adj. innover) Un ajustement ou une amélioration apportée à une idée, un processus ou un produit existant pour le rendre plus récent, plus intelligent, plus efficace ou plus utile.
Soude caustique : Nom générique de la solution d’hydroxyde de sodium (NaOH). La soude caustique est souvent mélangée à des huiles végétales ou des graisses animales et à d’autres ingrédients pour fabriquer du savon en barre.
Spécialiste des matériaux : chercheur qui étudie la relation entre la structure atomique et moléculaire d’un matériau et ses propriétés globales. Les spécialistes des matériaux peuvent développer de nouveaux matériaux ou analyser ceux existants. L’analyse des propriétés globales d’un matériau, telles que sa densité, sa résistance et son point de fusion, permet aux ingénieurs et autres chercheurs de sélectionner les matériaux les plus adaptés aux nouvelles applications.
Molécule : Un groupe d’atomes électriquement neutres qui représente la plus petite quantité possible d’un composé chimique. Les molécules peuvent être constituées d’un seul type d’atome ou de différents types d’atomes. Par exemple, l’oxygène de l’air est composé de deux atomes d’oxygène (O₂), et l’eau est composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène (H₂O).
Polluant : substance qui contamine un élément, comme l’air, l’eau, les personnes ou les aliments. Certains polluants sont des produits chimiques, tels que les pesticides. D’autres peuvent être des rayonnements, notamment une chaleur ou une lumière excessives. Même les mauvaises herbes et autres espèces envahissantes peuvent être considérées comme une forme de biofouling.
Puissant : Adjectif qui se réfère à quelque chose de très fort ou de très puissant (comme un germe, un poison, un médicament ou un acide).
Renouvelable : adjectif qualifiant une ressource qui peut être remplacée indéfiniment (comme l’eau, les plantes, la lumière du soleil et le vent). Cela contraste avec les ressources non renouvelables, dont l’offre est limitée et qui peuvent s’épuiser. Les ressources non renouvelables comprennent le pétrole (et les autres combustibles fossiles) ou les éléments et minéraux relativement rares.