Il n'y a pas si longtemps, l'expression «charbon propre» semblait être un oxymore. Les centrales électriques au charbon émettent une sorcière de polluants atmosphériques qui, à moins d'être éliminés à l'aide de dépoussiéreurs, ternissent l'air, créent des pluies acides et peuvent provoquer de l'asthme ou des crises cardiaques. Et les centrales à charbon émettent deux fois plus de dioxyde de carbone que les centrales alimentées au gaz naturel qui chauffent la planète.
Cependant, un nouveau type de réacteur, qui capte plus de 99% du dioxyde de carbone généré par la combustion du charbon, pourrait rendre le «charbon propre» réalisable. Le dioxyde de carbone peut être stocké en toute sécurité sous la surface de la terre où il ne peut contribuer au changement climatique.
Ce réacteur capterait le carbone sans augmenter le prix de l’électricité, ce qui le rendrait commercialement viable. «C'est une toute nouvelle façon de générer de l'énergie à partir de charbon à faible émission de carbone», explique Karma Sawyer, qui dirige le programme de recherche sur le charbon propre de l'agence de recherche ARPA-E du département de l'Énergie des États-Unis (DOE), qui a financé le travail.
La combustion du charbon est responsable de la production d’environ 40% de l’électricité dans le monde, mais elle produit les trois quarts des 12 milliards de tonnes de dioxyde de carbone émises lors de la production d’électricité et de chaleur. Pour que le charbon ne pollue pas, ce dioxyde de carbone devrait être capturé avant d'être émis et enfermé de manière permanente dans le sol. Mais malgré des années de recherche, aucune des centrales au charbon des États-Unis ne le fait.
Néanmoins, les centrales électriques au charbon fournissent encore une grande partie de l'électricité mondiale et les réserves de charbon aux États-Unis et ailleurs restent abondantes et abordables. Pour ces raisons - et en raison du poids politique de l'industrie charbonnière - le DOE a investi plus de 3, 4 milliards de dollars dans les technologies de captage et de stockage du carbone.
La technologie de captage du carbone la plus avancée à l'heure actuelle, appelée nettoyage à l'amine, est efficace et mature, mais elle coûte trop cher. Dans le lavage aux amines, nommé d'après les alkylamines utilisées dans le processus, le charbon est d'abord brûlé de la manière habituelle, avec de l'air, puis les gaz de combustion résultent à travers un liquide qui piège le dioxyde de carbone. Ensuite, le liquide est chauffé pour libérer le dioxyde de carbone, lequel s’échappe de la même manière qu’une canette de soude fraîche émet des bulles de dioxyde de carbone lorsqu’elle se réchauffe à la température ambiante. Ce processus absorbe près du tiers de l'énergie produite par l'ensemble de la centrale - suffisamment pour garantir une hausse de prix de 80% aux consommateurs. Une telle augmentation des coûts est intenable, de sorte que les services publics se sont abstenus d’installer de tels laveurs.
Il y a quelques années, le DOE a mis les chercheurs au défi de concevoir une technologie capable de supprimer plus de 90% du dioxyde de carbone émis par une centrale, tout en maintenant le prix de l'électricité produite au charbon par une centrale conventionnelle d'au moins 35%. . Jusqu'à présent, le DOE a investi dans la recherche sur plus d'une douzaine de technologies expérimentales d'élimination du carbone. "Il n'y a pas encore de solution miracle, c'est pourquoi nous avons un grand programme", déclare Lynn Brickett, directrice de la division des usines existantes du laboratoire national de la technologie de l'énergie du DOE à Pittsburgh, en Pennsylvanie.
L'une des nouvelles technologies les plus prometteuses commence avec le charbon pulvérisé, un mélange sec de la consistance de talc qui a déjà brûlé dans de nombreuses centrales au charbon. Le charbon pulvérisé est mélangé à des particules de fer partiellement rouillées de la taille de pépites de crème glacée dans un réacteur chaud à 1 650 degrés Fahrenheit. Le mélange charbon-fer subit une réaction chimique qui élimine la rouille et produit du dioxyde de carbone et de la vapeur, qui sont ensuite refroidis et l'eau liquide se condense, laissant un flux hautement purifié de dioxyde de carbone.
Les particules de fer exemptes de rouille se déplacent ensuite vers un deuxième réacteur, où elles sont brûlées à l'air, les faisant rouiller à nouveau. Cette réaction de rouille produit suffisamment de chaleur pour faire bouillir de l'eau et la vapeur résultante entraîne une turbine produisant de l'électricité.
Le matériau de captage du carbone n'a pas besoin d'être chauffé séparément pour libérer du dioxyde de carbone pur, comme c'est le cas pour le lavage aux amines. C'est pourquoi "les besoins en énergie de captage sont presque négligeables", explique Liang-Shih Fan, spécialiste des produits chimiques de l'Ohio State University. ingénieur qui a mené cette recherche.
Les sous-produits de la technique peuvent être réutilisés, offrant un rapport coût-efficacité supplémentaire. Le flux de dioxyde de carbone pur peut être vendu aux producteurs de pétrole, qui peuvent l'injecter dans des puits pour la plupart usés afin de permettre l'extraction de précieux morceaux de pétrole difficiles à collecter. Le processus peut également être modifié pour produire de l'hydrogène pur en plus de l'électricité et du dioxyde de carbone. Cet hydrogène peut également être brûlé proprement pour l'électricité ou vendu comme matière première pour la production de produits chimiques industriels.
«Le travail de Fan à Ohio State est le seul processus au monde qui puisse permettre de produire séparément ces trois [électricité, dioxyde de carbone et hydrogène]», déclare Sawyer.
Les ingénieurs se sont également laissé d'autres options. Quelques modifications apportées à la conception du réacteur lui permettent de fonctionner dans les usines de gazéification du charbon, un nouveau type de centrale électrique qui brûle partiellement le charbon pour produire du gaz naturel de synthèse, ou gaz de synthèse, puis brûle le gaz de synthèse pour produire de l’électricité. Bien que seules deux grandes centrales de gazéification du charbon soient en construction aux États-Unis - dans le Mississippi et en Indiana -, les experts prédisent que de nombreuses centrales à charbon utiliseront cette technologie.
Fan et ses collègues ont récemment construit un réacteur pilote à l'échelle d'un laboratoire sur le campus de l'Ohio. En février, ils ont indiqué l'avoir utilisé pendant neuf jours. Cela peut ne pas sembler long, mais c’est la plus longue période jamais atteinte pour ce type de technologie de captage du carbone. Et le réacteur a éliminé plus de 99% du dioxyde de carbone produit.
Malgré le succès rencontré, la nouvelle technologie présente de nombreux obstacles à surmonter avant de pouvoir être utilisée commercialement. Le réacteur doit réussir un test à grande échelle avec des gaz de combustion de centrales électriques réelles, contenant des contaminants pouvant endommager les pièces de réacteurs en métal, par exemple, et devant supporter des années d'opérations à haute température et haute pression.
Un tel test est en cours pour la technologie de bouclage de gaz de synthèse de l'équipe. Les ingénieurs de l'État de l'Ohio ont collaboré avec une demi-douzaine d'entreprises de fournitures ou de pièces détachées pour les centrales thermiques au charbon afin de construire une usine pilote de 14 millions de dollars sur six étages et de 250 kilowatts au Centre de capture de carbone du DOE à Wilsonville, Alabama. Ce réacteur d’essai fonctionnera avec du gaz de synthèse produit par une centrale de gazéification du charbon à l’échelle de démonstration gérée par la Southern Company au centre, et fonctionnera aux températures et aux pressions élevées typiques des installations commerciales. (Divulgation: Southern Company est un annonceur sur Smithsonian.com, mais cette histoire a été commandée de manière indépendante.) «Nous testons des conditions très applicables dans le commerce», explique Andrew Tong, chercheur dans le groupe Fan, qui aide à coordonner le test.
Même si les efforts sont couronnés de succès, des essais pilotes supplémentaires seraient nécessaires, car une centrale au charbon est environ 1 000 fois plus grande que l’installation pilote prévue en Alabama. La technologie de l'État de l'Ohio «a encore beaucoup à faire pour produire de l'électricité dans une centrale commerciale au charbon ou au gaz naturel», déclare Sawyer.
Si la technologie devait être utilisée avec succès à grande échelle et s’avérer capable de supprimer tout le dioxyde de carbone et les polluants atmosphériques du charbon brûlant, les réacteurs à boucle chimique ne seraient toujours pas le moyen le plus propre, le moins cher ou le plus sain de produire de l’électricité. Les mineurs de charbon meurent des suites d'une maladie du poumon noir et l'effondrement de la mine, et des chaînes de montagnes entières sont décapitées pour l'extraction du charbon. Même le charbon propre produit des cendres qui s'accumulent dans des étangs de stockage ou des décharges, menaçant de polluer les eaux souterraines et les rivières. Si l’on tient compte des coûts pour la santé et l’environnement, les énergies renouvelables comme l’énergie éolienne et solaire continuent de coûter moins cher.
Mais avec sept milliards de personnes avides d'énergie et de centrales au charbon bon marché émettant des millions de tonnes de gaz carbonique dans l'atmosphère chaque jour, de nouvelles façons de brûler proprement le charbon ne peuvent être négligées. «Vous devez trouver quelque chose qui puisse gérer tous les défis», dit Sawyer. "C'est pourquoi ces projets sont si passionnants."
