Transformer les déchets alimentaires en capteurs de carbone
Cette méthode devrait s'avérer moins coûteuse que les autres méthodes de capture
L'élimination du CO₂ de l'atmosphère est considérée comme un outil essentiel dans la lutte contre le changement climatique, mais ce processus s'est jusqu'à présent révélé très gourmand en énergie et coûteux. Aujourd'hui, des chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode qui permet de fixer efficacement le dioxyde de carbone et de le libérer à nouveau en utilisant seulement une faible quantité d'énergie. Les matières premières proviennent de déchets issus de la transformation des produits laitiers et du soja.
Afin de stabiliser le réchauffement climatique à moins de 1,5 °C à long terme, il est nécessaire non seulement de réduire drastiquement les émissions de gaz à effet de serre, mais aussi de disposer de technologies permettant d'éliminer et de stocker des centaines de milliards de tonnes de dioxyde de carbone (CO₂) de l'atmosphère. C'est également le fondement des scénarios présentés dans le dernier rapport d'évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC).
Depuis des années, des groupes de recherche et des start-ups travaillent donc sur des moyens d’extraire le CO₂ directement de l’air – un processus connu sous le nom de « capture directe de l’air ». La société Climeworks, fondée en 2009 en tant que spin-off de l’ETH, est l’un des premiers fournisseurs commerciaux de DAC au monde. À ce jour, cependant, l’élimination directe du CO₂ de l’air reste un processus énergivore et coûteux.
Des billes protéiques poreuses capturent le dioxyde de carbone
Dans une étude récemment publiée dans la revue PNAS, des chercheurs présentent une nouvelle approche prometteuse de la DAC. Une équipe dirigée par Raffaele Mezzenga, professeur de science des matériaux au Département des sciences et technologies de la santé de l’ETH Zurich, utilise du lactosérum et des sous-produits de la production de tofu pour absorber le CO₂.
La production laitière et celle de tofu génèrent de grandes quantités de solutions protéiques, dont seule une petite partie est réutilisée dans la production alimentaire – le reste est jeté. À partir de ces déchets, les chercheurs isolent des protéines qu’ils utilisent pour former de longues chaînes filiformes appelées fibrilles amyloïdes. Ils chargent ensuite ces fibrilles d’hydroxyde de potassium et les transforment en billes d’un diamètre compris entre un demi-centimètre et un centimètre. « Le matériau obtenu est comme une éponge capable d’absorber de grandes quantités de CO₂ grâce à l’hydroxyde de potassium », explique Mezzenga.
Lorsque les billes poreuses sont exposées à l’air ambiant, l’hydroxyde de potassium réagit avecle CO₂ pour former de l’hydrogénocarbonate, un sel de l’acide carbonique. Ce processus élimine le CO₂ de l’air. « Lors de nos tests avec l’air ambiant, nous avons pu extraire 97 milligrammes de CO₂ avec un gramme de matériau », explique Zhou Dong, post-doctorant au sein du groupe de Mezzenga et auteur principal de l’étude. Il s’agit d’un taux très élevé, précise-t-il, supérieur de 10 à 50 % à la capacité des méthodes DAC conventionnelles. Dong estime qu’avec un kilogramme de billes protéiques, il serait théoriquement possible de fixer et d’isoler 100 grammes de CO₂ par cycle de traitement.
Une technique au service de l’économie circulaire
Les méthodes DAC conventionnelles utilisent généralement la chaleur et la pression négative pour libérer à nouveau le dioxyde de carbone du matériau d'absorption. Cela est nécessaire pour stocker ensuite le CO₂ ou le convertir en d'autres matériaux, le retirant ainsi de l'atmosphère à long terme. Cependant, ce processus nécessite beaucoup d'énergie, c'est pourquoi la DAC n'a généralement de sens aujourd'hui – tant sur le plan énergétique qu'économique – que là où de grandes quantités d'énergie renouvelable sont disponibles.
C'est un autre domaine dans lequel les chercheurs de l'équipe de Mezzenga adoptent une approche différente : pour libérer à nouveau le dioxyde de carbone des billes de protéines, celles-ci sont aspergées en alternance d'un acide doux et d'une base pendant environ 10 minutes à température ambiante. Cela rompt les liaisons chimiques, permettant ainsi d’isoler le CO₂.
L’acide, la base et les billes peuvent ensuite être réutilisés. « Les matériaux synthétiques utilisés aujourd’hui pour capturer le CO₂ se décomposent rapidement », explique Dong. « En revanche, nos billes protéiques restent stables pendant longtemps. » En laboratoire, les chercheurs ont testé 30 cycles d’adsorption et de libération de CO₂ sans observer de pertes d’efficacité significatives.
Mezzenga estime que le matériau devrait néanmoins être remplacé après quelques milliers de cycles en raison d’une diminution de la capacité d’adsorption. Cependant, les billes protéiques pourraient alors être utilisées comme engrais dans l’agriculture ou transformées en biocarburant, explique le chercheur. Les billes sont entièrement composées de matière organique, précise-t-il, et sont facilement dégradables – ce qui signifie que le système pourrait ainsi s’inscrire dans une économie circulaire.
« Les matériaux que nous utilisons pour ce processus sont non toxiques et de qualité alimentaire », souligne Mezzenga. Dans une analyse du cycle de vie, les chercheurs montrent que leur méthode génère moins de pollution environnementale sur l'ensemble du cycle de vie que d'autres méthodes de DAC.
Une méthode qui devrait être moins coûteuse que les autres
Des tests supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si la technologie est évolutive pour une utilisation pratique et si la capacité élevée d’absorption du CO₂ restera intacte à plus grande échelle. Pour l’étude récemment publiée, les chercheurs ont testé la méthode dans un environnement de laboratoire contrôlé avec quelques grammes de billes protéiques, liant et isolant environ 50 grammes de CO₂.
Mezzenga est optimiste. Il travaille sur les fibrilles amyloïdes depuis près de 20 ans et connaît bien ce matériau. Par le passé, il l’a utilisé pour développer des alternatives biodégradables aux plastiques ainsi que des techniques de purification de l’eau. « Nous sommes convaincus que cette technologie est évolutive », déclare-t-il. Selon Mezzenga, le système de pulvérisation utilisé pour séparer le CO₂ des billes protéiques s'inspire de techniques existantes déjà utilisées dans l'industrie. Le post-doctorant Zhou Dong va désormais approfondir la question de l'évolutivité.
Bien que les chercheurs n’aient pas encore calculé avec précision les coûts par tonne de CO₂ capturée, Mezzenga s’attend à ce qu’ils soient nettement inférieurs à ceux du DAC conventionnel. « Notre technologie est moins coûteuse et plus durable car elle nécessite peu d’énergie et repose sur un déchet largement disponible », explique-t-il. « Cela pourrait changer la donne pour l'avenir de l'élimination du CO₂ de l'air. »
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