This article investigates the performance of Faradaic electro-swing reactive adsorption (ESA) for CO₂ capture using simulations. Traditional methods such as amine scrubbing face energy efficiency challenges, particularly at low CO₂ concentrations. ESA, which uses electricity for CO₂ regeneration, offers a promising alternative due to its isothermal operation and scalability. The study models ESA using quinone-based redox-active CO₂ carriers in an electrochemical cell with an ionic liquid electrolyte, allowing reversible adsorption and release through voltage control. The model estimates system productivity and energy consumption, considering transport and chemical kinetics. Key findings show that operating parameters, such as applied potential and gas flow rate, have a significant effect on efficiency. Applying a potential of −1.3 V improved the adsorption capacity, reducing CO₂ capture time compared to −1.1 V. At a 1% CO₂ concentration and a low flow rate, effective capture resulted in a productivity of 1.6 kg/(m³·day) with an energy consumption of 0.6 MWh/tCO₂. However, higher gas flow rates reduced capture efficiency due to CO₂ transport limitations in the ionic liquid. Optimization of electrode design is essential to improve ESA efficiency.

Direct air capture (DAC) has recently gained interest as a carbon dioxide removal (CDR) method to reduce atmospheric CO₂. DAC is mainly studied through standalone separation technologies, especially adsorption and absorption. Hybrid DAC, combining separation technologies, is rarely investigated and is the main topic of this work. This study investigates hybrid DAC using adsorption for pre-concentration up to a few percent or tens of percent depending on the case studied and membrane separation to concentrate the CO₂ stream to high purity (>90%). Adsorption regeneration by temperature swing adsorption (TSA) and vacuum thermal swing adsorption (VTSA) are compared, and VTSA regeneration achieved higher pre-concentration outlet CO₂ purity (15–30%) than TSA regeneration (1–10%). Membrane separation is studied depending on inlet CO₂ purity and outlet-required purity (90 or 95%), which influence the energy requirement and cost of capture. For all cases studied, the cost of capture remained high (>1700 €/tCO₂) with a high energy requirement (>2 MWh_e/tCO₂ and >27 GJ/tCO₂). The adsorption pre-concentration step accounted for the majority (>80%) of the energy requirement and cost of capture, and future work should be focused on preferentially improving adsorption step performance.

Integration of Direct Air Capture (DAC) into a low-carbon system: Cette étude fournit une évaluation technico-économique de techniques matures de captage direct du CO₂ de l'air ambiant (DAC – direct air capture) - absorption, adsorption, membrane et systèmes hybrides - intégrées à des sources d'énergie pilotable et bas-carbone. Ces techniques de séparation, bien connues pour le captage en point source, sont étendues au DAC dans l’objectif de la neutralité carbone. L'étude évalue les performances, les besoins en énergie et les coûts de captage « first-of-a-kind » dans des conditions atmosphériques réalistes et au moyen d'analyses de sensibilité. Le procédé d'absorption utilise un solvant aminé conventionnel avec des améliorations de type pompe à chaleur telles que la « lean vapor compression » et la « stripper overhead compression », réduisant la consommation de chaleur de plus de 25 %. Cependant, les coûts d'investissement compensent ces gains, avec des coûts de capture à plus de 1000 €/tCO₂ pour 0,1-1 MtCO₂/an. Le DAC par adsorption utilisant la technique S-VTSA (« steam assisted vacuum thermal swing adsorption ») montre qu'il existe des compromis entre les systèmes à lits garnis et les adsorbant monolithiques. Alors que les lits garnis offrent une plus grande productivité, les monolithes réduisent la consommation d'énergie. À 100 ktCO₂/an, les coûts dépassent 1500 €/tCO₂ pour les deux configurations, ce qui souligne la nécessité d'améliorer les adsorbants et d'optimiser les procédés. Le DAC basé sur une membrane de perméation gazeuse, bien que modulaire et sans solvant, est limité par une faible pureté en CO₂ et une demande énergétique élevée, avec des coûts supérieurs à 5000 €/tCO₂, ce qui limite sa faisabilité. Un système hybride combinant l'adsorption et la séparation membranaire améliore l'enrichissement en CO₂ mais reste énergivore, avec des coûts supérieurs à 1700 €/tCO₂. L'étape d'adsorption domine la consommation d’énergie et de coûts, ce qui ouvre des perspectives d’amélioration de la conception des matériaux et de l'optimisation du procédé. L'intégration du DAC dans une centrale électrique bas-carbone permet une utilisation efficace de la chaleur et un rendement carbone élevé (>80%). Une comparaison multicritère met en évidence les compromis en matière d'énergie, de coûts, d'émissions, d'utilisation de l'eau et de maturité technologique.