Brevet FR3159537A1 — publié le 20250829

L'invention concerne une installation de capture directe du dioxyde de carbone dans l’air ambiant (2), comprenant des moyens d’adsorption du dioxyde de carbone (3), des moyens (5) pour amener de l’air ambiant au contact de ces moyens d’adsorption (3), des moyens (7, 21) pour piloter la pression et la température de cet air au contact de ces moyens d’adsorption (3), des moyens (21) pour évacuer le dioxyde de carbone adsorbé, des moyens (25, 27) d’alimentation en énergie de cette installation, lesdits moyens d’alimentation en énergie (25, 27) comprenant des moyens fonctionnant à l’énergie solaire, et cette installation étant située à une altitude supérieure à 1000m, et de préférence supérieure à 1500 m, et de préférence supérieure à 1900m au-dessus du niveau de la mer. (Figure unique) Installation de capture directe du dioxyde de carbone dans l’air ambiant L’effet de serre est un phénomène naturel par lequel des gaz présents dans la partie basse de l’atmosphère empêchent une partie de la chaleur émise par la terre sous l’effet du rayonnement solaire, de repartir dans l’espace. Ces gaz forment ainsi une sorte de couvercle qui provoque le réchauffement des couches inférieures de l’atmosphère, conduisant à un certain nombre de modifications telles que : fonte des glaces, montée du niveau des eaux, augmentation de la fréquence et de l’intensité des épisodes climatiques extrêmes (fortes températures, fortes précipitations, etc.). Aujourd’hui, la grande majorité de la communauté scientifique s’accorde pour penser que l’activité de l’homme contribue significativement à l’émission de gaz à effet de serre, et qu’il y a donc moyen, en faisant évoluer cette activité, d’en réduire l’impact sur l’effet de serre. Plus précisément, l’Accord de Paris de la COP 21 (« Conference of Parties ») avait fixé à 1,5°C-2°C l’objectif d’augmentation maximale du réchauffement climatique à l’horizon de l’année 2100. Parmi les gaz contribuant fortement à l’effet de serre, le dioxyde de carbone, qui se trouve dans l’air ambiant à une concentration de l’ordre de 400 ppm (parties par million) tient une place très importante. Une partie significative de ce dioxyde de carbone provient de l’activité humaine en raison notamment de la combustion de produits d’origine pétrolière pour la production d’énergie. Pour réduire la concentration du dioxyde de carbone dans l’air, deux axes principaux de progression sont mis en œuvre. D’une part, on cherche à évoluer vers une économie décarbonée, c’est-à-dire peu émissive notamment en dioxyde de carbone : c’est toute la logique actuelle de l’exploration et de l’utilisation de sources d’énergie alternatives, et notamment d’énergies renouvelables (éolien, photovoltaïque…). D’autre part, on cherche à récupérer le dioxyde de carbone présent dans l’air ambiant, de manière à le stocker (« séquestrer ») ou à l’utiliser dans des réactions chimiques permettant la fabrication de produits présentant une utilité. Pami les procédés de récupération du dioxyde de carbone dans l’air ambiant, on connaît les procédés dits de « capture directe dans l’air » (« DAC » pour « Direct Air Capture » en anglais), consistant à faire passer l’air à travers des filtres revêtus de substances permettant l’adsorption ou l’absorption du dioxyde de carbone, que l’on récupère ensuite pour le stocker ou l’utiliser. La présente invention a notamment pour objectif de fournir une installation permettant la capture directe dans l’air du dioxyde de carbone par adsorption qui présente un bilan énergétique global nettement supérieur aux installations existantes. On atteint notamment ce but de l’invention avec une installation de capture directe du dioxyde de carbone dans l’air ambiant, comprenant des moyens d’adsorption du dioxyde de carbone, des moyens pour amener de l’air ambiant au contact de ces moyens d’adsorption, des moyens pour piloter la pression et la température de cet air au contact de ces moyens d’adsorption, des moyens pour évacuer le dioxyde de carbone adsorbé, des moyens d’alimentation en énergie de cette installation, lesdits moyens d’alimentation en énergie comprenant des moyens fonctionnant à l’énergie solaire, et cette installation étant située à une altitude supérieure à 1000m, et de préférence supérieure à 1500 m, et de préférence supérieure à 1900m au-dessus du niveau de la mer. L’utilisation de l’énergie solaire pour alimenter l’installation permet de s’affranchir de toute émission de dioxyde de carbone. Plus particulièrement, le fait de prévoir que cette installation soit située à haute altitude permet de bénéficier de la conjonction des éléments favorables suivants : plus forte luminosité, provenant notamment d’un effet albedo accru en altitude (réflexion de la lumière sur la neige notamment), plus faible température, permettant un meilleur rendement des panneaux photovoltaïques, plus faible humidité, permettant une efficacité accrue des moyens d’adsorption, qui adsorbent moins de molécules d’eau et plus de molécules de dioxyde de carbone. La conjonction de ces facteurs favorables permet une amélioration moyenne de 40% du rendement de la production d’énergie solaire, et une moindre consommation d’énergie nécessaire à la mise en œuvre de la désorption du dioxyde de carbone, par rapport à une situation dans laquelle l’installation serait située au niveau de la mer. Ainsi, outre le fait que l’installation selon l’invention n’émet pas de dioxyde de carbone, elle est peu énergivore par rapport aux solutions existant sur le marché – ce qui permet notamment un dimensionnement a minima des panneaux de captation de l’énergie solaire. Suivant d’autres caractéristiques optionnelles de cette installation, prises seules ou en combinaison : - lesdits moyens d’adsorption du dioxyde de carbone comprennent des filtres revêtus d’amine sur support de NFC : ces moyens d’adsorption présentent l’avantage d’être solides et non liquides, ce qui rend leur manipulation et leur mise en œuvre très aisées ; de plus, ces moyens d’adsorption sont actifs à des températures relativement basses (de l’ordre de 100°C), au lieu de plusieurs centaines de °C pour des solvants liquides - ce qui rend ces moyens d’adsorption solides particulièrement adaptés à une installation alimentée en énergie solaire ; - les moyens de chauffage des moyens d’adsorption comprennent un circuit de fluide caloporteur : ce fluide caloporteur permet un échange rapide de chaleur avec les moyens d’adsorption ; - les moyens de chauffage des moyens d’adsorption comprennent un circuit de fluide de transfert de chaleur et des moyens d’échange de chaleur interposés entre ce circuit et ledit circuit de fluide caloporteur : la présence de ce circuit intermédiaire permet de réguler avec précision la température du fluide caloporteur ; - cette installation comprend des moyens de chauffe-eau solaire pour chauffer ledit fluide caloporteur et/ou ledit fluide de transfert de chaleur : ces moyens de chauffe-eau solaire constituent une solution simple et économique de chauffage du fluide caloporteur et/ou du fluide de transfert de chaleur ; - les moyens d’évacuation du dioxyde de carbone adsorbé comprennent au moins une pompe à vide : une telle pompe constitue une solution techniquement simple et économique de récupération du dioxyde de carbone ; le fait que l’installation selon l’invention soit située en altitude permet de bénéficier d’une pression ambiante plus faible qu’au niveau de la mer, et ainsi de consommer moins d’énergie pour réaliser le vide dans l’enceinte où se trouvent les moyens de d’adsorption du dioxyde de carbone ; - lesdits moyens d’alimentation en énergie comprennent des panneaux photovoltaïques choisis dans le groupe comprenant les panneaux photovoltaïques fixes et les panneaux photovoltaïques suiveurs : les panneaux photovoltaïques suiveurs permettent un rendement électrique amélioré, grâce au fait qu’ils présentent en permanence une orientation optimale par rapport au soleil ; - cette installation comprend des moyens de séchage du dioxyde de carbone adsorbé puis évacué : ces moyens de séchage permettent de séparer le dioxyde de carbone de l’eau, et ainsi de récupérer du dioxyde de carbone purifié en vue de son stockage et/ou de son utilisation ultérieure dans des réactions chimiques. La présente invention concerne également un procédé de pilotage d’une installation conforme à ce qui précède, dans lequel : on augmente la pression et on réduit la température de l’air au contact des moyens d’adsorption pour permettre l’adsorption du dioxyde de carbone par ces moyens, puis on réduit la pression et on augmente la température de l’air au contact des moyens d’adsorption pour permettre la désorption du dioxyde de carbone par ces moyens. Cette oscillation du couple pression/température permet de commander en alternance l’adsorption du dioxyde de carbone sur les moyens d’adsorption, et son relargage par ces moyens. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence à la FIG. 1 qui illustre de manière schématique un mode de réalisation d’une installation selon l’invention. Cette installation se trouve sur un site en haute altitude, typiquement en montagne à une altitude supérieure à 1000 m, de préférence supérieure à 1500 m, et encore de préférence supérieure à 1900 m. A titre d’exemple, un site qui peut convenir en France est la station de Val-d’Isère, située à environ 1900 m, et bénéficiant d’un fort ensoleillement. L’installation selon invention comprend au moins une enceinte 1 à l’intérieur de laquelle sont installés des filtres 3 revêtus d’un matériau adapté pour capter le dioxyde de carbone de l’air ambiant par adsorption. Un exemple d’un tel matériau est l’amine ADPES (3-aminopropylmethyldiethoxysilane) commercialisée par la société Climeworks Switzerland sur support de NFC (« Nano Fibrillated Cellulose » - cellulose nanofibrée). L’enceinte 1 comprend des grilles à travers lesquelles l’air ambiant 2 peut circuler, en étant aspiré à l’intérieur de l’enceinte puis refoulé hors de celle-ci par une batterie de ventilateurs 5. Ce faisant, l’air ambiant passe au contact du matériau d’adsorption situé sur les filtres 3 disposés à l’intérieur de l’enceinte 1. La température à l’intérieur de l’enceinte 1 est régulée par un circuit fermé 7 de fluide caloporteur tel que de l’eau, ce fluide étant stocké à l’intérieur d’un réservoir 9 communiquant avec ce circuit 7. Ce fluide caloporteur peut-être chauffé à travers un échangeur thermique 11 par exemple du type à tubes, par un fluide de transfert thermique tel qu’une huile synthétique circulant lui-même dans un circuit fermé 13 à travers un chauffe-eau solaire 15. Comme cela est connu en soi, un tel chauffe-eau 15 comprend typiquement des panneaux réfléchissants 17 de forme parabolique faisant converger les rayons solaires vers un tube 19 dans lequel circule le fluide de transfert thermique. Une pompe à vide 21 permet de purger périodiquement le filtre sur lequel le dioxyde de carbone s’est adsorbé. En réalité, l’adsorption du dioxyde de carbone s’accompagne automatiquement de l’adsorption de molécules d’eau, de sorte que c’est un mélange de dioxyde de carbone et d’eau qui est aspiré par la pompe à vide 21. Ce mélange est dirigé vers une unité de séchage 23, qui permet de séparer le dioxyde de carbone de l’eau, par refroidissement de la température de l’eau jusqu’au point de rosée de l’eau qui se situe à environ 45°C. L’alimentation de l’ensemble des appareils électriques de l’installation selon l’invention (ventilateurs 5, pompe à vide 21, pompes de circulation des fluides caloporteurs et de transfert thermique, électrovanne, moyens de supervision électronique…) est réalisée de préférence exclusivement au moyen de l’énergie solaire. Pour cela, des panneaux photovoltaïques fixes 25 et/ou suiveurs 27 sont installés sur le site de l’installation, ces panneaux étant connectés à un intégrateur électrique 29 permettant d’additionner les courants électriques provenant de chacun d’eux. Cet intégrateur électrique 29 est lui-même connecté d’une part à un onduleur 31 permettant d’alimenter les appareils électriques susmentionnés, et d’autre part à des accumulateurs électriques 33, permettant de stocker et de restituer l’énergie électrique en tant que de besoin. Le fonctionnement et les avantages de l’installation qui vient d’être décrite sont les suivants. Comme cela vient d’être mentionné, les panneaux photovoltaïques 25, 27 fournissent l’énergie électrique nécessaire à l’alimentation des différents appareils électriques 5, 21… de l’invention. En cas de nécessité, même si ce n’est pas la solution préférée par la présente invention, de l’électricité provenant d’une source complémentaire peut être envisagée : par exemple de l’électricité provenant d’une centrale hydroélectrique située à proximité du site exploitation. Le fluide de transfert thermique est porté à une température de l’ordre de 120°C par le chauffe-eau solaire 15. En circulant à l’intérieur de l’échangeur thermique 11, ce fluide de transfert thermique porte à son tour le fluide caloporteur traversant l’enceinte 1 par le circuit 7 à une température de l’ordre de 100°C. Des moyens de régulation thermique sont prévus dans l’échangeur 11 pour régler avec précision la température de ce fluide caloporteur. Sous l’effet de la circulation de l’air ambiant 2 à travers les filtres 3 disposés à l’intérieur de l’enceinte 1, permise par les ventilateurs 5, les molécules de dioxyde de carbone de cet air s’adsorbent sur l’amine revêtant ces filtres 3. En jouant sur la température à l’intérieur de l’enceinte 1 d’une part et sur la pression à l’intérieur de cette enceinte 1 d’autre part, on peut purger périodiquement les filtres 3 du dioxyde de carbone adsorbé. La régulation de la température à l’intérieur de l’enceinte 1 est obtenue en réglant la température du fluide caloporteur circulant à l’intérieur de cette enceinte 1. La régulation de la pression à l’intérieur de l’enceinte 1 est obtenue au moyen de la pompe à vide 21. Typiquement, le relargage du dioxyde de carbone par les filtres 3 peut être obtenu en faisant osciller le couple température/pression à l’intérieur de l’enceinte 1 alternativement et respectivement entre des valeurs hautes et basses. A titre d’exemple, quand on augmente la température jusqu’à 100 – 110°C à l’intérieur de l’enceinte 1 et qu’on réduit la pression jusqu’à 0,1 – 0,4 bars, on procède au relargage du dioxyde de carbone adsorbé ainsi que de la vapeur d’eau. Au contraire, quand on augmente la pression vers 1 bar et qu’on réduit la température vers 20°C, on permet l’absorption du dioxyde de carbone par les filtres 3. Ce cycle d’oscillations permet ainsi de récupérer périodiquement un mélange de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau, aspiré en aval de l’enceinte 1 par la pompe à vide 21, et envoyé à l’intérieur de l’unité de séchage 23. Comme expliqué plus haut, cette unité de séchage 23 permet de séparer le dioxyde de carbone de l’eau en fonctionnant à une température située au voisinage du point de rosée de l’eau. Le dioxyde de carbone récupéré en aval de l’unité de séchage 23 peut ensuite être stocké par exemple dans des sous-sols basaltiques où il subit une réaction naturelle de transformation en carbonates. Ce dioxyde de carbone peut aussi être utilisé ultérieurement pour des réactions chimiques conduisant à l’obtention de produits à haute valeur ajoutée. A titre d’exemple, en réagissant avec du dihydrogène, le dioxyde de carbone peut conduire à l’obtention de méthanol, selon la réaction : CO 2 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O Selon un autre exemple, le dioxyde de carbone peut conduire à l’obtention de monoxyde de carbone au moyen de la réaction dite de « Reverse water gas shift » (réaction eau-gaz inversée) : CO 2 + H 2 → CO + H 2 O suivie de la réaction dite de « Fisher-Tropsch » : nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O permettant d’obtenir des hydrocarbures par catalyse hétérogène. Comme cela résulte de la description qui précède, l’installation selon invention présente de nombreux avantages. Grâce au fait que cette installation est située en altitude, la captation de l’énergie solaire par les panneaux photovoltaïques 25, 27 est optimale, en raison notamment de l’effet albedo qui est maximal en haute montagne. L’altitude a également pour effet de baisser les températures moyennes, ce qui permet à ces panneaux photovoltaïques 25, 27 de fonctionner avec un rendement plus élevé. L’altitude a encore pour effet de réduire la pression moyenne de l’air ambiant 2, ce qui facilite l’aspiration par la pompe à vide 21 du mélange de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau en provenance de l’enceinte 1, conduisant ainsi à une réduction de la consommation électrique. L’altitude a aussi pour effet de réduire l’hygrométrie moyenne, ce qui permet de limiter la quantité de molécules d’eau parasites qui viennent s’adsorber sur les filtres 3 revêtus d’amine. L’optimisation : d’une part des conditions de production de l’énergie électrique par les panneaux photovoltaïques 25, 27, et de la chaleur par le chauffe-eau solaire 15, et d’autre part des conditions de fonctionnement des filtres à amine 3 (faible hygrométrie) et de la pompe à vide 21 (faible pression), permettent à l’installation selon invention d’être autonome d’un point de vue énergétique, et ainsi notamment de capter efficacement le dioxyde de carbone de l’air ambiant sans en produire par ailleurs. Naturellement, l’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention. C’est ainsi par exemple que l’on pourrait envisager une installation simplifiée dans laquelle il n’y aurait pas de circuit de fluide transfert de chaleur : dans ce cas, le fluide caloporteur circulant à l’intérieur de l’enceinte 1 serait directement chauffé par le chauffe-eau solaire 15. Installation de capture directe du dioxyde de carbone dans l’air ambiant (2), comprenant des moyens d’adsorption du dioxyde de carbone (3), des moyens (5) pour amener de l’air ambiant au contact de ces moyens d’adsorption (3), des moyens (7, 21) pour piloter la pression et la température de cet air au contact de ces moyens d’adsorption (3), des moyens (21) pour évacuer le dioxyde de carbone adsorbé, des moyens (25, 27) d’alimentation en énergie de cette installation, lesdits moyens d’alimentation en énergie (25, 27) comprenant des moyens fonctionnant à l’énergie solaire, et cette installation étant située à une altitude supérieure à 1000m, et de préférence supérieure à 1500 m, et de préférence supérieure à 1900m au-dessus du niveau de la mer. Installation selon la revendication 1, dans laquelle lesdits moyens d’adsorption du dioxyde de carbone (3) comprennent des filtres revêtus d’amine sur support de NFC. Installation selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle les moyens de chauffage des moyens d’adsorption (3) comprennent un circuit de fluide caloporteur (7). Installation selon la revendication 3, dans laquelle les moyens de chauffage des moyens d’adsorption (3) comprennent un circuit de fluide de transfert de chaleur (13) et des moyens d’échange de chaleur (11) interposés entre ce circuit (13) et ledit circuit de fluide caloporteur (7). Installation selon l’une des revendications 3 ou 4, comprenant des moyens de chauffe-eau solaire (15) pour chauffer ledit fluide caloporteur et/ou ledit fluide de transfert de chaleur. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d’évacuation du dioxyde de carbone adsorbé comprennent au moins une pompe à vide (21). Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdits moyens d’alimentation en énergie comprennent des panneaux photovoltaïques choisis dans le groupe comprenant les panneaux photovoltaïques fixes (25) et les panneaux photovoltaïques suiveurs (27). Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens de séchage (23) du dioxyde de carbone adsorbé puis évacué. Procédé de pilotage d’une installation conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : on augmente la pression et on réduit la température de l’air au contact des moyens d’adsorption (3) pour permettre l’adsorption du dioxyde de carbone par ces moyens, puis on réduit la pression et on augmente la température de l’air au contact des moyens d’adsorption (3) pour permettre la désorption du dioxyde de carbone par ces moyens.