Transformer le CO2 au pied des cheminées n’exige pas forcément des températures extrêmes. Une voie biochimique s’impose, où l’hydrogénation du CO2 vise des molécules utiles plutôt qu’un simple stockage.
Vous voulez du concret ? Pourquoi s’y intéresser ? Des tests pilotes montrent des conversions sélectives à basse température, avec une forte tolérance à l’humidité. En prise directe sur des flux de gaz de combustion, ces innovations enzymatiques promettent des rendements stables, à condition que l’hydrogène soit bas-carbone et que les cofacteurs soient régénérés sans perte. Sinon, la chimie se tait.
Pourquoi des enzymes pour convertir le CO2 des fumées ?
Des enzymes réduisent le CO2 en milieux aqueux à basse température, avec peu d’énergie. Intégrées à la biocatalyse industrielle, ces protéines montrent une solide stabilité enzymatique face à l’humidité, au CO et à des traces d’oxydants.
Le traitement des fumées impose une tolérance aux mélanges et aux variations de charge. Ciblant le CO2 du captage post-combustion, ce procédé améliore le rendement réactionnel à pression modérée, avec des paramètres clés :
- Température 30–50 °C pour des enzymes actives.
- Pré-lavage partiel des NOx et SOx.
- pH tamponné entre 7 et 8 pour la réduction.
Ces atouts permettent une montée en charge progressive.
Architecture du réacteur enzymatique et rôle des cofacteurs
Le design associe un gaz riche en CO2 à une phase liquide qui porte les catalyseurs biologiques. Un module en réacteur à flux stabilise la résidence des bulles et maximise le transfert, sans recourir à des températures élevées.
La performance repose sur des supports poreux, des membranes anti-aérosols et une gestion fine du redox. L’immobilisation des enzymes limite le lessivage, tandis que des cofacteurs régénérés par hydrogénases ou une boucle électrochimique réduisent la dépense en NADH et stabilisent les conversions.
Des travaux publiés en 2022–2024 rapportent une régénération du NADH supérieure à 90 % en mode continu entre 30 et 40 °C, en couplant hydrogénase et médiateur redox.
Hydrogénation du CO2 : quelles réactions et quels produits ?
Les enzymes réduisent le CO2 par étapes couplées à des cofacteurs comme NADH ou F420. Après activation, la voie formate convertit CO2 + H2 en HCOO−, via des déshydrogénases, étape réversible qui sert d’embranchement.
Selon la pression d’H2 et le pH, la cascade peut poursuivre vers CO ou méthanol. La synthèse de méthanol suit CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O, et la sélectivité des produits progresse à basse température grâce à un micro-environnement actif bien contrôlé.
Comparaisons avec les catalyseurs métalliques en conditions industrielles
Les procédés thermocatalytiques opèrent à température et pression élevées pour des débits massiques élevés. À ces régimes, la cinétique hétérogène sur Ni, Cu/ZnO ou Ru maximise la conversion, mais exige une gestion des gradients de chaleur et des flux de gaz.
Les fumées réelles contiennent O2, vapeur, poussières, traces de SOx et NOx, qui perturbent l’activité et la durée de vie des actifs. La tolérance aux impuretés varie fortement entre métaux et enzymes, d’où la nécessité d’une étape amont de dépoussiérage et désulfuration. Les conditions de procédé imposent des compromis pression-température, et les coûts de catalyse dépendent du noble employé, de la charge métallique et du recyclage.
| Voie | Catalyseur typique | Température (°C) | Pression (bar) | Rapport H2:CO2 | Produit principal | Sélectivité indicative | Sensibilité aux impuretés |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sabatier | Ni/Al2O3 | 300–400 | 1–30 | 4:1 | CH4 | >95 % CH4 | Fortement sensible au soufre et NOx |
| Sabatier | Ru/Al2O3 | 200–350 | 1–10 | 4:1 | CH4 | >99 % CH4 | Très sensible au soufre |
| Méthanol (CO2 → MeOH) | Cu/ZnO/Al2O3 | 200–280 | 50–100 | 3:1 | CH3OH | 90–98 % MeOH | Sensible aux S, Cl et H2O |
| RWGS | Fe/CeO2 ou Mo2C | 500–700 | 1–10 | 1:1 | CO | >90 % CO à haute T | Activité réduite avec S |
| Enzymatique (cascade FDH…) | Déshydrogénases + cofacteurs | 20–50 | ≈1 | 1–3:1 | Formate ou CH3OH | Élevée sur la cible | Sensible à O2, solvants, NOx |
Quelles sources d’hydrogène rendent ce procédé pertinent ?
Pour alimenter un réacteur enzymatique, l’hydrogène doit être disponible à proximité de la source de CO2. La voie privilégiée reste l’hydrogène vert issu d’électricité renouvelable, sur site ou via contrats PPA. L’option d’une électrolyse haute température valorise la chaleur fatale et améliore le rendement.
Pour les sites isolés, l’association photovoltaïque‑stockage assure une alimentation continue. Un couplage au réseau électrique stabilise la fourniture quand la production locale varie, avec batteries en appoint. La pureté du gaz conditionne l’activité ; un polissage catalytique ou membranaire élimine H2S, O2 et humidité excessive. Les principales options à comparer sont listées ci‑dessous.
- Électrolyse PEM alimentée par solaire et éolien.
- Électrolyse SOEC exploitant la chaleur fatale à 700–850 °C.
- Reformage de biogaz avec captage et recyclage du CO2.
- Hydrogène résiduel récupéré en site pétrochimique, après purification.
Intégration sur une chaudière ou une cimenterie : contraintes et solutions
Sur une chaudière ou un four de cimenterie, les fumées doivent être conditionnées avant l’étage enzymatique. Filtration des particules, abattement des SOx et des NOx, et contrôle de l’humidité limitent les inhibitions. Un rétrofit industriel sur la gaine se met en place après dépoussiérage, avec points de prélèvement, vannes et instrumentation.
Le maintien d’une température douce et d’un débit stable protège les enzymes et leurs cofacteurs. Un pilotage thermique s’appuie sur échangeurs, boucles d’eau, et dégazage de condensats pour tenir 30 à 50 °C. La gestion des flux coordonne pression, recirculation d’hydrogène et purge d’azote, via capteurs, API et supervision SCADA.
Sur un four de cimenterie, le CO2 des fumées atteint 20 à 25 %, et la température au stack se situe vers 120–180 °C après échangeurs : un prétraitement SOx/NOx est indispensable avant l’étage enzymatique.
Impacts santé et environnement, du pilotage au suivi
Sur site, le suivi sanitaire couvre la sécurité de l’hydrogène, l’ergonomie des postes et la gestion des bioaérosols issus des biocatalyseurs. Les équipes tracent l’exposition professionnelle par badges passifs, prélèvements sur filtres et protocole ISO 45001, afin d’ajuster les EPI et les consignations. Détecteurs H2 déclenchés à 10 % LIE et zonage ATEX limitent les risques d’explosion.
Sur l’environnement, l’exploitant documente flux entrants, bilans massiques et une ACV conforme ISO 14040-44. Le bilan carbone couvre hydrogène, électricité et auxiliaires sur douze mois, tandis que la qualité de l’air est suivie par capteurs NOx, CO, PM et COV selon un protocole MRV compatible ETS.