Transformer les émissions de carbone en roches

Dans le Clean Energy Conversions Lab de Penn, le chercheur Peter Psarras et ses collègues réutilisent les déchets des mines industrielles, stockant le carbone extrait de l’atmosphère dans la roche nouvellement formée.

Chimiste Pierre Psarras a de bonnes raisons de se qualifier de rock star de la musique – après tout, il joue de la basse et du clavier de manière semi-professionnelle – mais il est plus susceptible de revendiquer la célébrité «rock» du penchant géologique. Pun très certainement voulu. « Nous transformons des rochers en rochers ici », explique Psarras, tenant un flacon contenant une substance poudreuse blanche.

Ce qu’il montre au labo en cette froide journée de décembre, c’est carbonate de magnésium, le résultat d’un processus compliqué mais peu coûteux et principalement neutre en carbone qui stockait le CO2 qui était auparavant dans l’air. Dans ce cas, cela s’est fait via les déchets d’une mine industrielle de l’ouest des États-Unis, envoyés au Laboratoire de conversions d’énergie propre (CECL) à la Université de Pennsylvanie pour analyse et traitement.

Le laboratoire, financé par le Centre Kleinman pour la politique énergétique dans le École de design Stuart Weitzmanet le École d’ingénierie et de sciences appliquées, se concentre sur les techniques de gestion du carbone telles que la capture du carbone et les technologies permettant d’étendre ces processus. Psarras est directeur par intérim tandis que Jennifer Wilcox est en congé pour travailler au département de l’énergie de l’administration Biden.

L’étudiante à la maîtrise Haarini Ramesh, le directeur du laboratoire de recherche Daniel Nothaft et Peter Psarras, directeur par intérim du CECL, montrent les différentes étapes que ces matériaux traversent dans le processus du laboratoire pour réutiliser et stocker les déchets miniers. Crédit image : Université de Pennsylvanie

Cette équipe voit un grand potentiel environnemental dans les résidus miniers, le sable et les boues laissés après l’extraction du minerai recherché. Avec des échantillons en laboratoire, ils essaient de déterminer la quantité de calcium et de magnésium que chacun contient, comment le carbonater au mieux avec du CO2, comment et où stocker le résultat et si le processus est évolutif.

Jusqu’à présent, ils se sont associés à cinq mines, mais il y a beaucoup plus de matériel là-bas ; les États-Unis génèrent suffisamment de résidus miniers en un an pour remplir 38 millions de piscines olympiques.

L’immensité des mines

Sans se rendre physiquement dans l’une de ces mines à ciel ouvert, il est difficile d’imaginer leur taille. « Ils sont absolument énormes, vastes », explique Katherine Vaz Gomes, doctorante en troisième année au CECL. « C’est vraiment l’endroit où l’industrie rencontre la Terre, au propre comme au figuré. » Imaginez un trou dans le sol 10 ou 20 fois plus grand qu’un stade de football, ajoute Psarras.

Lui et Gomes disent que l’expérience d’une mine en production engage les sens de manière inattendue. La perspective est faussée ; les camions de transport de pierres avec des roues qui surplombent la tête de n’importe qui apparaissent comme des points à l’horizon. Dans l’usine, le niveau de bruit ne permet de communiquer que par des cris.

Gomes dit que tout sent la poussière, même à travers l’équipement de protection requis dans les mines. « Vous ne pensez pas que la poussière a une odeur, mais elle est en fait piquante », dit-elle. « Vos chaussures en sont couvertes aussi. »

Bien que ces opérations minières aient trouvé comment simplifier quelque chose d’assez complexe, le processus produit toujours une quantité importante de matériaux restants, avec de grandes sections de formations rocheuses finalement qualifiées de déchets.

Ces résidus miniers, également appelés matériaux de gangue, sont stockés séparément de la production minière, parfois jusqu’à un mile. Ils peuvent être mélangés avec de l’eau et transformés en une bouillie de boue, puis déplacés via un grand tuyau et stockés dans une piscine géante, ou ils peuvent être déversés et transportés par un énorme tapis roulant.

« Imaginez creuser une montagne, puis construire essentiellement une nouvelle montagne entière de déchets à proximité », explique Psarras. « Nous essayons de puiser dans la montagne déplacée qui a été déplacée. » Comme les mines elles-mêmes, l’échelle ici est immense, des centaines de pieds de profondeur pour recevoir quelque chose comme un million de tonnes de déchets chaque mois pendant toute la durée de vie de la mine.

Psarras dit qu’il est facile de se sentir à la fois submergé par les mines et émerveillé par les personnes qui les exploitent. « Ils ont tout si bien réglé », dit-il. « Je retourne toujours au laboratoire inspiré, mais aussi avec la compréhension que nous ne pouvons pas compliquer leur processus lorsque nous introduisons un autre élément de complexité avec notre technologie. »

De la poubelle au trésor

En octobre de cette année, le Clean Energy Conversions Lab a déménagé dans le Pennovation Lab Building, un espace relativement nouveau à Travaux de pennovation.

Moins de six semaines plus tard, plusieurs tiroirs de l’arrière-salle étaient déjà remplis de dizaines de flacons de différentes tailles contenant une classe de minéraux appelés silicates, ainsi que des sorties de carbonate de calcium et de carbonate de magnésium. Deux seaux contenant chacun cinq gallons de résidus miniers reposent sur le sol à proximité, en attente de traitement.

Une poignée de boîtes restent emballées dans la pièce voisine, éparpillées sur cinq rangées de paillasses de laboratoire contenant des béchers, des flacons et d’autres équipements prêts à l’emploi. Psarras, accompagné de Haarini Ramesh, étudiante à la maîtrise en Génie chimique et biomoléculaireet le responsable du laboratoire de recherche du CECL, Daniel Nothaft, décrivent la science qui s’y déroule et la technologie qu’ils créent.

Au plus haut niveau, ces chercheurs font passer le matériau de son point de départ – la roche à la mine – à une substance semblable à du sable, puis dans une solution, et de nouveau à la roche. De nombreuses étapes complexes entre les deux commencent par l’examen minutieux du matériel original.

« Lorsque nous recevons les résidus, nous testons d’abord quelques éléments. Nous recherchons du carbone inorganique, alors les résidus éliminent-ils naturellement le CO2 de l’air ? Nous ne nous attendons pas à ce que cela se produise, mais nous voulons une base de référence de ce qu’il y avait déjà de carbone », explique Psarras.

Ils vérifient également la taille de la roche, pour déterminer s’ils devront la broyer jusqu’aux minuscules particules dont ils ont besoin, et analysent sa composition chimique, à la recherche de calcium et de magnésium, surtout, mais aussi d’autres métaux plus rares comme le lithium, le cobalt, et nickel.

Ici, le calcium et le magnésium sont les plus importants parce que le processus nécessite de l’alcalinité, qui neutralise le carbone acide dans une réaction qui stocke le CO2 sous forme minérale. Étant donné que la diversité minérale des résidus change selon le site, il s’agit d’une série d’étapes cruciales dans le processus. « Après avoir répondu aux questions sur la composition et l’extraction », explique Gomes, « nous devons trouver comment le carbonater ».

La plupart des gens comprennent la carbonatation en ce qui concerne les boissons gazeuses ; ajoutez du dioxyde de carbone à l’eau et cela devient de l’eau de Seltz. Dans ce processus, l’équipe de Psarras ajoute du CO2 à un récipient sous pression qui contient le liquide riche en calcium ou en magnésium qu’ils ont créé à l’étape précédente. Ce récipient va ensuite dans une machine qui chauffe et mélange ce qu’il y a dedans.

Gomes le décrit simplement : « Le produit intermédiaire est une solution. Vous pompez du CO2. Lorsque vous ajoutez le gaz à la solution, vous obtenez un solide. En plus de garder le carbone hors de l’atmosphère, cette roche nouvellement formée qui stocke le carbone a de nombreuses applications potentielles.

Avantages de la carbonatation minérale

Psarras a toujours détesté l’argument dans les cercles énergétiques selon lequel la solution au problème du carbone doit impliquer soit la réutilisation du CO2, soit son stockage. Lui et ses collègues de Penn pensent que ce travail sur les résidus miniers représente une troisième option, qui à la fois réutilise et stocke le carbone de manière économique et presque neutre en carbone.

«Nous créons des minéraux qui ont beaucoup d’utilisation aujourd’hui», dit Psarras. Par exemple, le carbonate peut entrer dans le papier comme matériau de remplissage ou dans les matériaux de construction en remplaçant le gravier dans le béton. « Un autre avantage des réactions de carbonatation minérale est qu’elles libèrent de l’énergie », ajoute Daniel Nothaft, qui a obtenu un doctorat. en géologie avant de rejoindre le CECL en janvier 2021.

« Bien qu’en pratique, un apport d’énergie soit nécessaire pour accélérer les réactions, l’énergétique est plus favorable que d’autres voies d’utilisation du CO2 telles que la conversion du CO2 en carburants. »

Trouver une seconde vie à ces déchets peut également aider les mines, qui doivent souvent trouver comment restaurer les anciennes décharges. « Ce processus a beaucoup de potentiel car il s’agit d’utiliser des déchets pour remédier à un autre déchet », déclare Gomes. Et étant donné que ce problème n’est pas unique aux États-Unis, ajoute-t-elle, cela pourrait être un moyen de traiter les résidus miniers à l’échelle mondiale.

De plus, c’est un processus presque sans carbone. Bien sûr, les étapes pour le faire nécessitent de l’énergie, mais pour la plupart, l’empreinte carbone globale est attribuée à l’exploitation minière elle-même, et non aux déchets qu’elle crée.

« Il est livré avec presque pas de carbone, en dehors du travail supplémentaire pour le traiter, ce qui représenterait des centimes sur le dollar par rapport à ce que vous rencontreriez en essayant de l’extraire à neuf », explique Psarras. Rien de tout cela ne tient compte de l’avantage supplémentaire du matériau qui se présente involontairement pendant l’extraction, des métaux de grande valeur comme le nickel qui peuvent être réutilisés et revendus.

Peut-il être mis à l’échelle ?

La question en suspens est maintenant de savoir comment l’étendre pour en faire ce que Psarras décrit comme une « force perturbatrice » dans l’industrie. Après tout, cela raccourcit quelque chose qui prendrait naturellement des milliers d’années en quelques heures, et les mines déjà impliquées dans le projet semblent prêtes à faire analyser leurs échantillons et à faire visiter l’équipe CECL. Mais Psarras admet que la technologie est encore à quelques pas de la possibilité de l’utiliser partout.

Une mine du Nevada sert de cas test pour aider les chercheurs à mieux comprendre le coût réel de ce processus et ce qu’un modèle commercial pourrait impliquer. Sur la base de l’analyse des résidus miniers qu’ils ont effectuée, les chercheurs créent également une base de données pour suivre le fonctionnement de leur technologie pour différents matériaux, une tentative de plus grande normalisation.

« Ces technologies pourront éventuellement répondre aux besoins critiques en minéraux et aux besoins de gestion du carbone qui sont deux des défis environnementaux et technologiques les plus urgents de notre époque », a déclaré Nothaft. « C’est définitivement ce qui me motive à travailler là-dessus. »

C’est une période passionnante pour travailler dans le domaine de la capture du carbone, ajoute Psarras. Il suppose que leur technologie pourrait être prête à évoluer dans les deux prochaines années, et avec les bons partenaires, dit que ce travail pourrait éventuellement éliminer des millions de tonnes de CO2 de l’atmosphère. Si cela se produit, ces roches stockant du carbone seront en effet des stars dans la lutte contre le réchauffement de la planète, soutenues par l’équipe de recherche qui les a créées.

Source: Université de Pennsylvanie