Qu’est-ce que la carbonatation minérale ?

La carbonatation minérale, également connue sous le nom de minéralisation du carbone, est une réaction dans laquelle certains éléments des roches réagissent naturellement avec le dioxyde de carbone pour former des minéraux carbonatés, éliminant ainsi le CO2 de l’atmosphère.

Dans la nature, les roches sont transformées par le processus naturel d’altération. Les structures géologiques telles que le Grand Canyon sont le résultat de millions d’années d’altération. L’altération se produit de trois manières différentes : physique, chimique et biologique.

Lorsque certaines roches sont altérées chimiquement, par exposition naturelle à l’air et à l’eau de pluie, elles se dissolvent, libérant une partie de leurs éléments dans l’eau de pluie, dont certains se lient ensuite au CO2 pour former de nouveaux minéraux. Les éléments capables de se lier au CO2 appartiennent au groupe des métaux divalents et les mieux adaptés de ces métaux divalents font également partie du groupe des alcalino-terreux, les plus abondants étant le calcium et le magnésium. Les minéraux silicatés, qui contiennent généralement du calcium et du magnésium, sont courants et constituent 95 % de la croûte terrestre [1]. On estime que leur altération naturelle élimine chaque année plus de 150 millions de tonnes de CO2 de l’atmosphère [2]. Sur des millions d’années, ce processus contribue à réguler le climat de la Terre en éliminant et en stockant le CO2 atmosphérique.

Plus précisément, l’altération naturelle libère des ions métalliques divalents des minéraux silicatés, et ces ions se lient au CO2 pour former un nouveau minéral carbonate solide par le biais de la réaction de carbonatation minérale – éliminant de manière sécuritaire et stockant de manière permanente le dioxyde de carbone de l’atmosphère. L’approche d’Exterra – connue sous le nom de carbonatation artificielle – est parallèle à ce processus naturel, mais utilise la technologie pour minimiser le temps nécessaire à la minéralisation du CO2 dans une roche. Cette approche est similaire à l’altération améliorée des roches (Enhanced Rock Weathering ou ERW) mais se déroule entièrement dans un système technologique, ce qui permet un meilleur contrôle du processus et une simplification de la surveillance, de la soumission de rapports et de la vérification (Monitoring, Reporting, and Verification ou MRV). La carbonatation artificielle et l’ERW sont des stratégies spécifiques dans la catégorie plus large de la minéralisation du carbone.

Accélérer la carbonatation minérale

Contrairement aux processus naturels, qui se déroulent sur des échelles de temps géologiques, la technologie peut être utilisée pour réaliser la réaction de carbonatation minérale en quelques heures. Pour que la réaction se produise, les métaux divalents doivent être libérés de la structure chimique de la roche, le CO2 doit être disponible et l’environnement de la réaction ne doit pas être acide. L’accélération de la carbonatation minérale à grande échelle nécessite deux éléments majeurs : de grandes quantités de roches adaptées et une activité/un processus qui accélère la réaction de carbonatation minérale.

La proportion de métaux divalents contenus dans une roche détermine la quantité de carbone qui peut être minéralisée, tandis que la forme de ces métaux divalents détermine l’efficacité de la réaction. Même si les métaux divalents sont abondants dans de nombreuses roches, la structure chimique de ces roches exige souvent des efforts considérables pour extraire le métal du minéral. Les matières premières potentielles convenant à la carbonatation minérale ex situ sont les suivantes :

Minéraux naturels – y compris l’olivine, la serpentine et la wollastonite
Résidus – provenant de mines, notamment de chrysotile, de nickel, de kimberlite, de métaux du groupe du platine
Scories métallurgiques – y compris les scories d’affinage de l’acier et du nickel

Une matière première idéale est disponible en grandes quantités et contient une forte proportion de métaux divalents labiles. Pour accélérer la carbonatation minérale, il faut exposer les roches au CO2 et gérer les conditions de l’environnement de réaction. L’exposition au CO2 peut provenir directement de l’air ou être concentrée au préalable, par le biais de gaz existants riches en CO2 issus de processus industriels. Lorsque le CO2 est fourni par l’air seul, la carbonatation minérale se produit plus lentement que lorsque le CO2 est concentré. Dans les systèmes technologiques, d’autres facteurs tels que la taille des particules, la température, la pression, l’eau et le pH peuvent également être optimisés pour accélérer la carbonatation minérale.

Ingénierie Carbonatation minérale ex-situ

Ex-situ signifie ” en dehors de son état naturel “, se référant à la carbonatation minérale qui a lieu dans des roches qui ont été extraites de leur emplacement naturel et qui se trouvent maintenant à la surface (par exemple, des roches extraites à la suite de l’exploitation minière). La gestion des conditions de réaction, de l’exposition au CO2 et de l’élimination des matériaux déjà présents à la surface de la terre est plus simple que la carbonatation minérale in situ, qui vise à réaliser la carbonatation minérale à l’aide de roches enfouies sous la surface de la terre. Les procédés ex situ sont plus simples car le processus complet peut être contrôlé, surveillé et vérifié.

Les opérations minières mondiales ont extrait et traité environ 10 milliards de tonnes de roches ultramafiques au fil du temps et continuent d’en extraire et d’en traiter environ 420 millions de tonnes par an [3]. La plupart des matériaux extraits et traités ne contiennent pas de métaux précieux facilement extractibles et sont considérés comme des résidus, qui sont stockés dans des installations permanentes. Si l’on considère toutes les formes de résidus minéraux, les estimations de la capacité annuelle mondiale de stockage du CO2 varient de 1 à 2 GtCO2/an [4,5].

L’extraction et le traitement des roches ultramafiques sont le plus souvent liés à l’exploitation minière du nickel, un produit qui devrait connaître une demande accrue en tant que matière première nécessaire à la transition énergétique mondiale. La production de déchets miniers ultramafiques provenant de l’exploitation du nickel et d’autres types d’exploitation minière fournit aux projets de carbonatation minérale ex situ une matière première déjà concassée et broyée de manière rentable, ce qui constitue un obstacle majeur en termes de coûts pour la carbonatation minérale à grande échelle. Les minéraux contenus dans les déchets miniers subissent déjà une carbonatation minérale involontaire, mais cette réaction a tendance à être limitée à une fraction de son potentiel sur des échelles de temps pertinentes.

Notre approche

Exterra Solutions Carbone s’associe dans le cadre de partenariats avec des compagnies dans l’industrie des mines et métaux pour développer des projets qui génèrent des crédits de carbone de haute qualité grâce à la carbonatation ex-situ. Nos projets mettent en œuvre des changements dans la manipulation et le traitement des résidus minéraux qui vont au-delà du stockage du carbone pour réaliser des progrès vers de multiples aspects du développement durable, y compris l’économie circulaire, la création d’emplois et les avantages écologiques. En outre, comme les conditions de la réaction peuvent être contrôlées, les projets d’ingénierie de compensation du carbone peuvent minéraliser le dioxyde de carbone à partir de sources diluées, y compris directement à partir des gaz de combustion.

Nous développons actuellement des méthodologies de comptabilisation du carbone avec les principaux organismes de normalisation afin de déterminer de manière fiable et transparente les avantages en compensation de carbone des projets de carbonatation minérale ex-situ accélérée. Cette méthodologie permettra aux projets de générer et de vendre des carbones compensés crédibles et, ultimement, de contribuer à la réduction des émissions mondiales de CO2.

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Sources

Egger, A. E. (2006, April 11). The silicate minerals. Visionlearning; Visionlearning, Inc. https://www.visionlearning.com/en/library/Earth-Science/6/The-Silicate-Minerals/140
Hilley, G. E., & Porder, S. (2008). A framework for predicting global silicate weathering and CO2 drawdown rates over geologic time-scales. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105(44), 16855–16859. https://doi.org/10.1073/pnas.0801462105
Kelemen, P. B., McQueen, N., Wilcox, J., Renforth, P., Dipple, G., & Vankeuren, A. P. (2020). Engineered carbon mineralization in ultramafic rocks for CO2 removal from air: Review and new insights. Chemical Geology, 550(119628), 119628. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2020.119628
Renforth, Phil. (2019). The negative emission potential of alkaline materials. Nature Communications, 10(1), 1401. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09475-5
Bullock, L. A., James, R. H., Matter, J., Renforth, P., & Teagle, D. A. H. (2021). Global carbon dioxide removal potential of waste materials from metal and Diamond mining. Frontiers in Climate, 3. https://doi.org/10.3389/fclim.2021.694175