L’atténuation des effets du changement climatique est devenue une préoccupation majeure à l’échelle mondiale. Les pays et les organisations internationales élaborent diverses stratégies pour y remédier. La réduction des émissions de CO2 figure en tête de liste, les technologies de captage du carbone étant une voie prometteuse.
Il s’avère toutefois si difficile de combler le fossé entre la recherche et la mise en œuvre pratique des solutions de capture du carbone qu’on lui donne un nom : « vallée de la mort ». Le défi est aggravé par la nécessité de prendre en compte les points de vue et les priorités des différentes parties prenantes tout au long du processus.
Traditionnellement, le développement des technologies de captage du carbone commence par la conception des matériaux par des chimistes et le développement des procédés par des ingénieurs, tandis que les impacts économiques et environnementaux sont évalués plus tard. Les résultats sont souvent sous-optimaux et ne font que retarder la mise en œuvre de solutions concrètes.
En réponse à cela, des scientifiques dirigés par Berend Smit à l’EPFL et Susana Garcia à l’Université Heriot-Watt ont développé le PrISMa Plateforme (Process-Informed design of tailormade Sorbent Materials) : un outil innovant qui relie de manière transparente la science des matériaux, la conception des processus, la technico-économique et l’évaluation du cycle de vie en prenant en compte dès le départ les perspectives de multiples parties prenantes.
Grâce à des simulations avancées et à l’apprentissage automatique, PrISMa peut identifier les solutions les plus efficaces et les plus durables et prédire les performances des nouveaux matériaux, ce qui en fait un outil puissant dans la lutte contre le changement climatique. publié dans le journal Nature.
Évaluation des indicateurs clés de performance
PrISMa évalue quatre indicateurs de performance clés (KPI), ou « couches », pour évaluer la viabilité d’un matériau de capture du carbone depuis son développement initial jusqu’à sa mise en œuvre dans une usine complète de capture du carbone.
Test de PrISMa sur des études de cas
Les scientifiques ont utilisé PrISMa pour comparer plus de soixante études de cas réelles, dans lesquelles le CO2 est capté à partir de différentes sources dans cinq régions du monde avec différentes technologies. En prenant en compte les points de vue de multiples parties prenantes, PrISMa a permis d’identifier les solutions les plus efficaces et les plus durables.
« L’une des caractéristiques uniques de la plateforme PrISMa est sa capacité à prédire les performances de nouveaux matériaux à l’aide de simulations avancées et de l’apprentissage automatique », explique Berend Smit. « Cette approche innovante accélère la découverte de matériaux très performants pour la capture du carbone, surpassant les méthodes traditionnelles d’essais et d’erreurs. »
Simulations moléculaires
La plateforme intègre la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et la simulation moléculaire pour prédire les propriétés des matériaux nécessaires à la conception du procédé. L’équipe a testé cette approche sur une usine de captage du CO2 en analysant les émissions indirectes sur les 30 ans d’exploitation de l’usine, et en l’associant à une évaluation technico-économique, qui a évalué le coût du procédé.
« Nous avons réussi à relier le mouvement des électrons au niveau DFT pour calculer la quantité totale de CO2 capturée sur la durée de vie de 30 ans d’une usine de capture, et à quels coûts », explique Berend Smit.
Le point de vue des parties prenantes
PrISMa fournit des informations précieuses à diverses parties prenantes, offrant aux ingénieurs les outils pour concevoir les processus de capture du carbone les plus efficaces et les plus rentables, et guidant les chimistes sur les caractéristiques moléculaires qui améliorent les performances des matériaux.
Les gestionnaires environnementaux ont accès à des évaluations complètes des impacts environnementaux, permettant une prise de décision plus éclairée, tandis que les investisseurs bénéficient d’analyses économiques détaillées qui réduisent les risques et les incertitudes associés à l’investissement dans les nouvelles technologies.
Découvrir de nouveaux matériaux
PrISMa peut accélérer la découverte de matériaux hautement performants pour la capture du carbone, dépassant les méthodes traditionnelles d’essais-erreurs. Ses outils interactifs permettent aux utilisateurs d’explorer plus de 1 200 matériaux et de comprendre les compromis entre coût, impact environnemental et performances techniques.
Cette approche globale garantit que les solutions choisies capturent efficacement le CO2 tout en minimisant les impacts environnementaux globaux.
Selon Smit, PrISMa pourrait notamment être utilisé pour la découverte de structures organométalliques (MOF), des matériaux poreux aux applications très diverses, notamment la capture du carbone. « L’idée est que les chimistes puissent télécharger les structures cristallines de leurs MOF, et que la plateforme classe ces matériaux pour toutes sortes de processus de capture », explique-t-il. « Ainsi, même les chimistes qui n’ont pas de connaissances détaillées sur les technologies de capture du carbone peuvent obtenir des informations sur les MOF les plus performants et pourquoi. »
PrISMa peut accélérer le développement des technologies de capture du carbone, contribuant ainsi à atteindre des émissions nettes nulles en réunissant toutes les parties prenantes concernées dès le début du processus de recherche. En fournissant une évaluation complète des matériaux et des processus, PrISMa permet une prise de décision plus éclairée, conduisant au développement de solutions de capture du carbone plus efficaces et plus durables.
Plus d’information:
Charithea Charalambous et al, Une plateforme holistique pour accélérer la capture du carbone à base de sorbants, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07683-8