Une feuille de route globale vise à relever le défi de la décarbonation des secteurs de l’économie difficiles à électrifier. Cela inclut des stratégies telles que le développement de carburants sans carbone, l'approvisionnement en carbone de manière durable et la promotion d'une économie circulaire dans laquelle les atomes de carbone sont réutilisés plusieurs fois dans diverses industries, essentielles pour atteindre zéro émission nette d'ici 2050. Crédit : Illustration de Cortland Johnson | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
Une approche holistique pour atteindre zéro émission nette de carbone dans l’ensemble de l’économie.
Une stratégie clé pour atteindre zéro émission nette de carbone implique la transition de secteurs importants de l’économie, comme les transports personnels et le chauffage domestique, vers une dépendance à l’électricité produite à partir d’énergies renouvelables. Mais le carbone ne peut pas être éliminé de tous les pans de la société. Les plastiques, omniprésents dans le monde moderne, ne peuvent pas être décarbonisés car ils sont constitués de molécules à base de carbone.
Dirigé par la chimiste Wendy Shaw du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), un effort multi-institutionnel a produit une nouvelle feuille de route pour réduire les émissions dans les segments de l’économie difficiles à électrifier. L'approche à multiples facettes comprend le développement de carburants sans carbone, la recherche de sources de carbone non fossiles et le maintien du carbone en jeu une fois qu'il entre dans le cycle, ce qui aboutit idéalement à de multiples utilisations de chaque carbone. atome.
Le carbone à usage unique ne peut plus être généralisé, affirment les auteurs de la feuille de route. Le carbone doit être maintenu en jeu grâce à une économie circulaire où chaque atome de carbone est utilisé de nombreuses fois. Le carbone peut être réutilisé au sein du même secteur industriel ou servir de matière première pour un nouveau secteur industriel. Par exemple, le développement de processus de recyclage des polymères et la réutilisation efficace des matériaux à base de carbone seront essentiels à un avenir sans émissions nettes de carbone.
« Nous avons besoin de solutions innovantes et créatives pour atteindre nos objectifs de décarbonation », a déclaré le directeur du PNNL, Steven Ashby. « Et la collaboration est essentielle pour accélérer la recherche scientifique inspirée par l’utilisation dans les sciences de la catalyse et des séparations qui sous-tendra ces solutions. J’attends avec impatience ces résultats et leur déploiement dans l’aviation, le camionnage lourd et le transport maritime.
Les idées ont émergé d'un atelier sur « Fermer le cycle du carbone », organisé conjointement par le PNNL, le Laboratoire national d'Ames, le Laboratoire national d'Argonne, le Laboratoire national de Brookhaven, le Laboratoire national Lawrence Berkeley, le Laboratoire national d'Oak Ridge et le Laboratoire national des accélérateurs du SLAC. Les responsables de chaque laboratoire comprenaient respectivement Shaw, James Morris, Max Delferro, Sanjaya Senanayake, Francesca Toma, Michelle Kidder et Simon Bare.
« Faire progresser les technologies de recyclage et de conversion du carbone est la clé d'un avenir énergétique propre, et Argonne s'engage à soutenir son développement », a déclaré Paul Kearns, directeur d'Argonne. «Je félicite les chercheurs qui collaborent au sein du complexe de laboratoires nationaux du ministère de l'Énergie pour conduire ces innovations transformatrices afin d'atteindre la carboneutralité d'ici 2050.»
Une feuille de route vers la décarbonisation
L’hydrogène et l’ammoniac ont tous deux un potentiel en tant que carburants sans carbone. Cependant, la mise en œuvre de ces deux mesures pose clairement des problèmes. En particulier, le coût du stockage et du transport de l’hydrogène le rend peu pratique avec les technologies actuelles. Les travaux visant à développer des molécules et des matériaux porteurs pour permettre un transport sûr et abordable de l'hydrogène compléteront l'objectif Hydrogen Earthshot du ministère de l'Énergie consistant à produire de l'hydrogène de manière renouvelable pour 1 $/kilogramme ou moins. Cette réduction des coûts pourrait contribuer à créer des systèmes viables à base d’hydrogène.
L’utilisation de carbone provenant de diverses sources est au cœur de l’approche proposée. Le carbone continuera d’être essentiel pour de nombreux secteurs économiques critiques. Ces secteurs sont candidats au cycle circulaire du carbone grâce au recyclage et à l’intégration de multiples sources de carbone. Les sources possibles de carbone précieux comprennent la biomasse, les déchets alimentaires et les déchets plastiques. Pour que ce processus devienne une réalité, il faut des séparations et des conversions efficaces et efficientes, car les mélanges complexes constituent la plupart des flux de carbone non fossile.
« Le carbone doit être considéré comme un bien précieux qui doit être conservé et réutilisé », a déclaré Shaw, directeur scientifique et technologique de la direction des sciences physiques et informatiques du PNNL. « Notre vision est de transformer le rôle du carbone dans notre économie en réutilisant chaque atome de carbone plusieurs fois dans une économie circulaire. »
Transformer efficacement les déchets « traditionnels » en matériaux réutilisables reste essentiel. La combinaison des étapes de séparation et de conversion via des séparations réactives peut constituer une approche pratique. Les séparations réactives combinent des réactions chimiques avec des séparations purificatrices et peuvent fournir une intensification des processus, convertissant plus efficacement le carbone non fossile.
« Nous avons besoin de nouveaux développements scientifiques fondamentaux pour produire des approches industrielles intégrées », a déclaré Morris. « Les technologies qui en résulteront créeront de nouvelles opportunités économiques, un développement éducatif et une croissance supplémentaire de l’emploi. »
La feuille de route présente un avenir sans déchets, dans lequel le carbone est traité comme un bien précieux plutôt que comme une ressource jetable. L’intégration de sources durables de carbone dans l’économie du cercle du carbone est essentielle pour cet avenir.
Cette feuille de route est le résultat d'un atelier intitulé « Closing the Carbon Cycle : Opportunities in Energy Science », organisé par sept laboratoires nationaux du ministère de l'Énergie les 18 et 19 juillet 2022.
