Présentation de M. Suren Erkman, UNIL

Valorisation du dioxyde de carbone
Prof. Suren Erkman
Dr. Frédéric Meylan
Groupe «Ecologie industrielle»,
Faculté des géosciences et de l’environnement
Forum de l’Innovation France-Suisse, Lausanne, 3-4 juin 2013
Métabolisme industriel
Bio-géo-sphère
Environnement
Minerais,
Décharges
Pétrole, gaz
Eau
Input Air
Agriculture,
chasse,
pêche
Nature
Eaux usées
Système
industriel
Emissions
diverses
Output
Economie
Excavations, irrigation
Pertes par
dissipation
(engrais, etc.)
Translocation
Source: Wuppertal Insitut
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Les limites de l’approche traditionnelle
•  Prix de la tonne de CO2 sur le marché européen
3.80 €/tonne (au 03.06.2013)
•  Concentration atmosphérique
> 400 ppm (au 03.06.2013)
Concentration et quantité atmosphérique du CO2
600
4000
500
SP 450
400
Concentration
en 2013
3000
2100 Gt
800 Gt
Concentration
pré-industrielle
1300 Gt
300
1800
2000
2050
Quantité atmosphérique de CO2 (Gt)
concentration atmosphérique de CO2 (ppm)
SP 550
2100
Année
800 Gt de CO2 «industriel» accumulé dans l’atmosphère
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Concentration et quantité atmosphérique du CO2
Année
1800
2013
2100 (SP 450) 2100 (SP 550)
Concentration (ppm)
280
400
450
550
Quantité (Gt)
2200
3000
3500
4300
Surplus or stock (Gt)
0
800
1300
2100
Le Carbone ?
•  Un atome aux propriétés extraordinaires, qui méritait bien sa
discipline spécifique: La chimie organique
OH
C
C
C
C
C
C
1. M, CO2
2. H 2SO 4
C
C
OH
O
OH
C
C
C
C
C
C
OH
+
M = Na, K
C
C
O
C
C
C
C
OH
•  Un atome que l’on retrouve aussi dans nos carburants fossiles
Charbon
Pétrole
Gaz
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Captage du CO2: sources concentrées
CCS – Carbon Capture & Sequestration
Captage dans les effluents gazeux concentrés de grandes sources
émettrices (centrales électriques, cimenteries, etc)
Technology Center Mongstadt
(Norvège)
Pleasant Prairie Milwaukee
(USA)
http://www.greenbiz.com
http://www.tcmda.com
CCS «Carbon capture and storage»
Séquestration géologique du dioxyde de carbone
Image: R. S. Haszeldine, Science 2009,325, 1647-1652.
4
Ecologie industrielle:
une autre perspective sur la question du CO2
• Les humains fabriquent une «mine artificielle» de
carbone (gazeuse) dans l’atmosphère...
• Idée: «miner l’atmosphère» et valoriser ce (dioxyde de)
carbone ? (à l’instar de la photosynthèse)
• Création d’un «cycle anthropogénique du carbone»
Extraction et valorisation du CO2
•  C C V Carbone Capture and Valorization
•  D A C (V) Direct air Capture (and Valorization)
•  B E C C V Bioenergy with Carbon Capture and Valorization
CO2 = ressource !
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BECCS (Bioenergy with Carbon Capture and Storage)
Captage du CO2 émis par des procédés de transformation de la biomasse
(Fermentation éthanolique, biodigestion anaérobie, etc)
Captage de CO2 dans l’air ambiant – DAC
'Synthetic trees': an artist's conception / Credit: GRT Technologies
www.carbonengineering.com
http://www.earth.columbia.edu
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Principal défi de la valorisation du CO2: coût énergétique
L’énergie de la liaison C=O ΔH°f = 724 kJ/mol.
• 
• 
Besoin d’énergie
Catalyseurs très souvent requis
Image: N. MacDowell, N. Florin, A. Buchard, J. Hallett, A. Galindo, G. Jackson, C. S. Adjiman, C. K. Williams, N. Shah, P. Fennell, Energy Environ. Sci. 2010, 3, 1645.
Valorisation de CO2
Comparaison avec N2
Liaison
Energie (KJ/mol)
C
O
800
N
N
945
Le procédé Haber-Bosch: N2 (g) + 3H2 (g)
2NH3 (g)
ΔH° = -46.2 kJ/mol
ΔG° = -16.4 kJ/mol
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Voies de valorisation du CO2
Formation de liaison C-C
Bio-materiaux (Bois, bio-polymères)
Formation de liaisons C-O
Biocarburants
Formation de liaison
C-N
Produits chmiques biosourcés
CO 2
Biominéralisation
Réduction
Récupération assistée
d’hydrocarbure
Boissons gazeuses, extincteurs
Solvant (CO2 supercitique)
CCS
Voie chimique
Voie physique
Voie biologique
Valorisation du CO2 – Voie chimique
Aggregats
Acides carboxyliques
Acides aromatiques
Acides acryliques
Ciment
Autres
Carbonates
Carbonates cycliques
Formation de liaisons C-C
Formation de liaisons C-O
Polycarbonates
Urée
Carbamates
Formation de liaisons C-N
Oxazolidones
Réduction
Gaz de synthèse
CO 2
Hydrogénation
catalytique
Méthanol
Acide formique
Methane
Réduction thermochimique, électrochemique,
photochimique et photocatalytique
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La production de polycarbonate
Synthèse par copolymérisation
Kit Vitres polycarbonate F2000 MC RACING
http://www.pieces-auto-competition.com
O
R1
R2
+
Cat.
CO2
R1
O
O
R2
O
O
O
n
Synthèse traditionnelle
OH
O
+
R
OH
Cl
Cl
R
O
+
HCl
n
Impression 3D
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Impression 3D: besoins en (bio)polymères
Utilisation du CO2 - Voie biologique
Biodiesel
Bois
Biogaz
Papier
Biopolymères
Bioéthanol
Biomateriaux
Biocarburants
Nanocellulose
CO 2
Produits chimiques
bio-sourcés
Biominéralisation
Acide succinique
Glycérol
Composés aromatiques
Carbonates (aggrégats)
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Valorisation biologique: diversité des procédés
La bioraffinerie – Site de Bazancourt-Pomacle
CO2
http://www.a-r-d.fr/
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L’hydrogénation du CO2
Cat.
CO2 + 4H2
de Sabatier)
CH4 + 2H2O (réaction
H 2O
Réseau
électrique
(1)
CO2
H2
Electrolyseur
Méthanation
Stockage d’électricité
CH4
(2)
Renouvelable
Centrale
électrique
Production
d’électricité
à gaz
CH4
(3)
www.infoeco.fr/photos/
www.connaissancedesenergies.org
Valorisation du CO2 – Voie physique
Solvant (CO2
supercitique)
Boissons
gazeuses
Extincteurs
CO 2
Réfrigération
Fluide
caloporteur
Glace sèche
Récupération
assistée
d’hydrocarbures
Atmosphère inerte
Soudures
Alimentation
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Valorisation physique du CO2: réseaux urbains
(Prof. Daniel Favrat et Prof. François Maréchal, LENI – EPFL)
H2O
CO2
Le projet Global Carbon Wealth
Energie
Enjeux
techniques
Enjeux
financiers
Co-réactif
CO 2
Enjeux
juridiques
Produits
Enjeux
économiques
Enjeux
sociaux
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Conclusion
•  L’écologie industrielle propose des solutions
contribuant à résoudre le problème du CO2
•  C e s p ro p o s i t i o n s c o n s t i t u e n t a u t a n t
d’opportunités nouvelles
•  Projet «Global Carbon Wealth»: plate-forme
pour explorer de manière systématique et
systémique les divers enjeux.
Merci
pour votre attention!
[email protected]
[email protected]
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