Le rôle de la fabrication additive dans la lutte contre le changement climatique

Alors que plus de 20 ans ont passé depuis le début du siècle actuel, l’importance de la lutte contre le changement climatique s’accélère. L’Accord de Paris a souligné la nécessité de réduire fortement les émissions au cours de la décennie afin de limiter le réchauffement de la planète à 1,5°C et de préserver un climat vivable, comme le souligne la coalition Zéro émission nette des Nations unies. Pour y parvenir, les gros industriels réalisent d’importants investissements, et les jeunes entreprises technologiques créent des solutions inédites. Malgré les efforts déployés par les entreprises industrielles pour résoudre ce problème et les solutions novatrices mises au point par les start-up technologiques, les objectifs mondiaux ne sont pas atteints.

La collecte du carbone repose sur des réactions chimiques relativement simples. Chaque système de collecte et de récupération du carbone doit fonctionner avec une efficacité extrême pour éviter d’aggraver le phénomène en consommant des combustibles lourds en carbone ou en émettant davantage de carbone dans l’atmosphère. En d’autres termes, pour obtenir l’effet souhaité nous devons collecter le plus de carbone possible en faisant en sorte d’en émettre beaucoup moins que ce que nous en capturons. L’idéal serait de ne pas émettre du tout de carbone afin de pouvoir en récupérer une quantité illimitée.

Face à ce problème, nous devons mettre en place une infrastructure à empreinte carbone négative. La méthode la plus efficace et la plus évolutive pour réduire les émissions de CO2 serait de recourir à la capture directe dans l’air (DAC). La capture directe dans l’air est une technologie qui permet de séparer le CO2 de l’air pour créer les produits dont l’économie a besoin, tels que produits agricoles, matériaux de construction, carburants, plastiques et produits chimiques. Le DAC permet également de procéder à la séquestration du CO2 pour le stocker à des fins constructives et de transformer ainsi une menace en opportunité.

Avantages de la fabrication additive

L’élimination du carbone de l’atmosphère repose sur un système de filtres, d’échangeurs thermiques, de condensateurs, de séparateurs de gaz et de compresseurs. Bon nombre de ces pièces complexes utilisent des géométries qui se prêtent bien à la fabrication additive. Celle-ci constitue une solution plus efficace et potentiellement plus rentable que les méthodes de fabrication traditionnelles et offre des performances et des avantages économiques substantiels dans les équipements de DAC :

• Optimisation de la conception pour l’efficacité énergétique : en mettant la capacité d’optimisation de la conception apportée par la fabrication additive au service de ces systèmes de collecte et d’utilisation du carbone, il devient possible d’augmenter considérablement les performances et l’efficacité et de s’approcher d’une énergie sans perte.
• Liberté de conception : la fabrication additive permet à la conception d’exprimer l’architecture innovante requise pour collecter et traiter efficacement le carbone de l’atmosphère et d’en faire quelque chose d’utile.
• Performance : production possible dans toute une gamme d’alliages résistants aux hautes températures et à la corrosion tout en offrant une conductivité thermique élevée.
• Evolutivité : rapidement possible grâce à la capacité de dimensionner la fabrication pour répondre aux besoins massifs en équipements sur le terrain.
• Efficacité de la chaîne d’approvisionnement : consolidation des pièces et conception monolithique qui contribuent à une chaîne d’approvisionnement plus rationnelle et de qualité. Nous ne pouvons pas négliger l’empreinte carbone générée par l’implication de plusieurs fournisseurs dans le pays pour produire un seul assemblage.

La fabrication additive répond à toutes les exigences associées à la production de tels réacteurs et peut convenir à des applications qui répondent à différents besoins en matière de collecte de carbone.

Equipement de microturbine

La technologie de microturbines est de plus en plus utilisée dans différents secteurs, notamment dans celui de la production électrique. Les microturbines permettent de transporter du gaz et des fluides à haute pression et avec un rendement élevé, le tout en prenant peu de place et en induisant une empreinte énergétique/carbone minimale. Dans la collecte du carbone, l’efficience repose sur le même principe que dans la production d’électricité en général, c’est-à-dire qu’elle dépend du rapport entre le rendement et l’énergie consommée.

Les performances élevées, la fiabilité, la compression de l’air et la stabilité de la pression du système sont essentielles au fonctionnement des systèmes de collecte du carbone actuels et, plus important, de ceux de demain. Alors que la tendance est à la commercialisation croissante de systèmes industriels de collecte du carbone, face à une production et à une exploitation distribuées, il est encore plus important d’utiliser une technologie de turbine innovante et compacte pour obtenir un fonctionnement à rendement élevé dans un système à faible encombrement.

Filtres mécaniques

La collecte du carbone consiste principalement à « emprisonner » le carbone avec un filtre mécanique structuré, généralement recouvert d’une amine qui l’attire. Tout d’abord, l’air pénètre dans le système au cours d’une étape initiale de « contact direct avec l’air ». L’efficacité du filtre à contact direct avec l’air peut être optimisée par des structures de filtre qui permettent un contact maximal entre l’air entrant et la surface du filtre. La fabrication additive permet de concevoir ces filtres en priorisant leur fonction, en induisant des niveaux élevés de turbulence et de mélange, ainsi qu’en produisant une surface étendue autorisant un contact optimal avec l’air.

Les valeurs typiques sont en jeu. Le problème est le suivant : comment faire en sorte d’obtenir la superficie maximale en engendrant le moins de perte de pression ?

Le gaspillage de chaleur est un problème courant dans le captage du carbone. Le carbone collecté au cours de la phase initiale de contact direct avec l’air doit être évacué des filtres mécaniques vers les étapes de raffinage en aval. Dans de nombreux cas d’utilisation de la technologie, c’est l’application de vapeur pressurisée qui libère le carbone du filtre. Des échangeurs de chaleur peuvent être appliqués pour éliminer le surplus de chaleur du processus de génération de vapeur et, plus couramment, pour réduire en aval la température de la vapeur riche en carbone sortant du filtre. En outre, de nouvelles stratégies d’échange thermique sont associées aux étapes de distillation et d’affinage en aval pour maintenir le processus à une température stable afin de maintenir une réaction chimique et de produire du carbone.

Plaques de diffusion

Des plaques de diffusion sont couramment utilisées au cours du traitement chimique pour prendre un certain volume de gaz ou de fluide et le colmater. La diffusion de fluide fonctionne de la même manière que la collimation de lumière qui prend une source lumineuse et organise l’énergie de sorte que la lumière soit émise de manière diffuse avec des faisceaux parallèles. Les plaques de diffusion sont très similaires à une buse de tuyau d’arrosage qui permet d’obtenir un flux structuré et uniforme à partir d’un flux chaotique. Les plaques de diffusion de liquide sont des composants importants des piles de processus pour assurer un écoulement et un traitement uniformes du fluide riche en carbone lorsqu’il circule dans le processus.

La fabrication additive permet à des plaques de diffusion de grande taille de diffuser le fluide avec un rendement élevé, principalement en permettant de fabriquer des plaques et des buses de diffusion de forme complexe. S’inspirant des concepts de buses d’injection de carburant utilisées dans l’aérospatiale et des applications de pommes de douche dans le secteur des équipements de fabrication de semi-conducteurs, la fabrication additive permet d’obtenir des plaques de diffusion 20 fois plus vite que par usinage seul.

Refroidisseurs et distillateurs

Le produit riche en carbone obtenu à la fin de la phase de filtrage peut être considéré comme « sale » et avoir besoin d’un traitement complémentaire pour être utilisable. Ce post-traitement du carbone sale peut être effectué indépendamment, mais cela implique que davantage de carbone sera produit dans la logistique de collecte et de transport des produits de carbone sale vers les installations de post-traitement secondaires. Les systèmes de collecte de carbone les plus intéressants et les plus prometteurs intègrent un certain niveau de post-traitement du produit de carbone sale, et font en sorte que le système de capture du carbone émette un produit en carbone propre utilisable et un sous-produit à base d’eau ne présentant aucun danger.

Les colonnes de raffinage, qui peuvent inclure des distillateurs dotés d’un refroidissement intégré et d’échangeurs de chaleur, sont relativement complexes à assembler habituellement. Elles comportent des dizaines de coques et d’étages en tôle – jusqu’à des centaines de mètres de tube plié – et des dizaines de brides, raccords et collecteurs qui peuvent être usinés ou coulés. La nécessité d’acheter et d’assembler ces éléments augmente encore la production collective de carbone et la pollution causée par la simple fabrication des composants et leur assemblage.

La fabrication additive permet de consolider les pièces en un seul bloc et donc de rationaliser la chaîne d’approvisionnement de façon majeure. Elle autorise également une conception très efficace axée sur la fonction qui accélère la phase de raffinage et permet d’obtenir un débit supérieur à partir d’un système plus compact.

Collecteurs (liquide, gaz et vapeur)

La collecte du carbone est un processus chimique qui fait intervenir des fluides et des gaz ainsi que des paramètres chimiques, de température et de pression. Les applications de collecteur dans le domaine de la collecte du carbone sont nombreuses, allant du transport de substances chimiques dans les chambres de traitement jusqu’à la distribution efficace du liquide de refroidissement en passant par les composants de refroidissement actifs tels que les échangeurs de chaleur, et les applications générales de distribution de gaz.

Ce qui rend ces composants difficiles à produire ce ne sont pas tant les exigences à satisfaire en termes de résistance chimique ou de matériaux spéciaux pour l’aérospatiale, mais plutôt la nécessité d’obtenir une pression équilibrée sur de nombreuses conduites, voire même la livraison de fluides à travers une chambre de traitement.

Des raccordements ramifiés efficaces, combinés à un flux uniforme et à des contraintes d’espace et d’assemblage exigent l’élaboration d’une géométrie complexe que seule la fabrication additive est à même de produire, comme en témoigne son utilisation dans l’aérospatiale, la défense et les équipements de fabrication de semi-conducteurs.

La perspective d’un air plus respirable

La technologie de capture directe de l’air et de raffinage est essentielle pour pouvoir corriger les niveaux de carbone dans l’atmosphère. La fabrication additive permet en outre de réaliser des progrès significatifs en matière d’efficacité.

Les entreprises utilisent la fabrication additive pour itérer et fabriquer rapidement des composants prêts pour la production. Une géométrie à haut rendement inédite est utilisée pour traiter les piles et l’échange thermique et améliorer ainsi l’efficacité de la collecte tout en réduisant l’encombrement des pièces. La technologie ainsi obtenue est plus facile à installer et à dimensionner.

L’adoption croissante de technologies de fabrication et d’outils de conception perfectionnés nous permet de continuer d’espérer que le climat restera clément et vivable pour les générations futures.