La plateforme PrISMa met en lumière les différentes perspectives en matière de captage du carbone. Crédit : Université Heriot-Watt, édité
Les scientifiques ont présenté PrISMa, une plate-forme révolutionnaire intégrant des simulations avancées et apprentissage automatique pour accélérer la découverte et la mise en œuvre de matériaux de capture du carbone.
Cette plateforme évalue les matériaux potentiels grâce à un processus complet impliquant la chimie quantique et l’analyse du cycle de vie, ce qui s’avère efficace dans des études de cas mondiales et réduit considérablement les coûts dans des secteurs comme la fabrication du ciment.
L’un des principaux obstacles à la mise en œuvre des technologies zéro émission nette dans la lutte contre le changement climatique est de combler le fossé entre la recherche fondamentale et son application dans le monde réel.
Ce fossé, parfois appelé « la vallée de la mort », est courant dans le domaine du captage du carbone, où de nouveaux matériaux sont utilisés pour extraire le dioxyde de carbone des gaz de combustion produits par les processus industriels. Cela empêche le carbone de pénétrer dans l'atmosphère, contribuant ainsi à atténuer les effets du changement climatique.
Les chimistes ont proposé et synthétisé des milliers de nouveaux matériaux, tels que des structures organométalliques, dans le but précis de capturer autant de dioxyde de carbone que possible. Cependant, même si les résultats peuvent sembler prometteurs en laboratoire, il est difficile de savoir quelle sera l'efficacité de ces matériaux dans des scénarios réels. Par conséquent, les chances sont minces que l'un d'entre eux traverse un jour la vallée de la mort.
Des solutions innovantes
Aujourd'hui, une équipe de scientifiques de l'Université Heriot-Watt est à l'origine d'une plateforme pionnière appelée PrISMa (Process-Informed design of tail-made Sorbent Materials) qui utilise des simulations avancées et l'apprentissage automatique pour trouver les combinaisons de processus de capture de matériaux les plus rentables et les plus durables avant la mise en œuvre.
La plateforme et les recherches associées ont été récemment publiées dans la revue de renommée internationale, Nature.
La professeure Susana Garcia a dirigé l'étude et est la coordinatrice du projet PrISMa. Elle est également directrice adjointe du captage, de l'utilisation et du stockage du carbone (CCUS) au Centre de recherche sur les solutions carbone (RCCS) de l'Université Heriot-Watt à Édimbourg, en Écosse.
Professeur Susana Garcia. Crédit : Université Heriot-Watt
Elle explique : « Au cours de la dernière décennie, d’énormes efforts ont été consacrés à l’identification de matériaux prometteurs capables de capturer le CO2.
« Les chimistes ont proposé des milliers de nouveaux matériaux poreux, mais nous n’avions pas les outils nécessaires pour évaluer rapidement si l’un d’entre eux était prometteur pour un procédé de capture du carbone. L’évaluation de tels matériaux nécessite de nombreuses données expérimentales et une connaissance détaillée du procédé de capture. Il faut également évaluer soigneusement les aspects économiques et l’analyse du cycle de vie du procédé. »
« Nous ne pouvons pas nous attendre à ce que les chimistes aient toutes ces connaissances. C’est là que PrISMa peut faire une énorme différence. La plateforme PrISMa est un outil de modélisation qui intègre différents aspects de la capture du carbone, notamment les matériaux, la conception des procédés, l’analyse économique et l’analyse du cycle de vie. Nous utilisons la chimie quantique, la simulation moléculaire et le Machine Learning pour prédire, pour les nouveaux matériaux, toutes les données nécessaires à la conception d’un procédé. Nous pouvons également utiliser les données expérimentales des matériaux synthétisés en laboratoire. La plateforme a ensuite évalué leurs performances dans plus de 60 études de cas différentes dans le monde entier. »
Le professeur Garcia poursuit : « Cette approche innovante accélère la découverte de matériaux très performants pour la capture du carbone, dépassant les méthodes traditionnelles d'essais et d'erreurs. La plateforme peut également informer les différentes parties prenantes en fournissant aux ingénieurs des options pour identifier les facteurs économiques et environnementaux difficiles dans la phase de conception des technologies de capture optimales, les cibles de conception moléculaire pour les chimistes et les points chauds environnementaux pour les matériaux, les avantages de l'intégration locale pour le CO2 producteurs et les meilleurs emplacements pour les investisseurs. »
PrISMa : un outil qui transforme la capture du carbone
PrISMa a déjà produit des résultats impressionnants, la plateforme ayant été utilisée pour simuler avec précision la mise en œuvre de technologies de capture du carbone dans des cimenteries situées dans différentes régions du monde. Elle a trouvé des matériaux adaptés à chaque site, réduisant les coûts de moitié par rapport aux technologies précédentes.
PrISMa propose également un outil interactif qui permet aux utilisateurs d’explorer le potentiel de plus de 1 200 matériaux pour les applications de capture du carbone.
Repousser les frontières technologiques grâce à l'apprentissage automatique
« L’identification de matériaux de capture du carbone plus performants augmente la probabilité de faire progresser certains d’entre eux vers le prochain niveau de maturité technologique », poursuit le professeur Garcia.
Fergus Mcilwaine, doctorant et responsable des activités d'apprentissage automatique dans l'équipe du professeur Garcia, a ajouté : « Le criblage d'un si grand nombre de matériaux nécessite un temps de calcul considérable. Nous avons développé un modèle d'apprentissage automatique qui accélère considérablement ce processus, nous permettant de découvrir des matériaux rentables à partir d'énormes espaces de conception chimique. »
PrISMa a été mené par l'Université Heriot-Watt en partenariat avec des scientifiques de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) et de l'ETH Zurich, du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l'Université de Californie à Berkeley aux États-Unis, ainsi que de l'Institut des Matériaux Poreux de Paris en France. Le projet a reçu un financement du Programme ACT, de la Fondation Grantham pour la protection de l'environnement et du Centre de recherche et d'innovation sur la décarbonisation industrielle (IDRIC).
Le professeur Garcia conclut : « Cette étude souligne la nécessité d’adopter une approche holistique lors de l’évaluation des technologies pour atteindre nos objectifs de zéro émission nette. La plateforme accélère la découverte de matériaux pour les applications de capture du carbone et concentre les efforts de recherche et développement sur des objectifs de performance réalisables à grande échelle. »
« Cet outil peut contribuer considérablement à nos efforts actuels de décarbonisation industrielle. Il peut jouer un rôle clé dans l’élaboration de stratégies d’investissement et de décisions politiques sur des solutions de captage du carbone plus durables et plus rentables. »
