Dans l’Union européenne, la production et à la consommation d’énergie sont actuellement responsables de plus de 75% des émissions de gaz à effet de serre. Le Green Deal européen propose de réduire les émissions de gaz à effet de serre en Europe d’au moins 55% d’ici 2030, par rapport aux niveaux de 1990, afin d’atteindre l’objectif de neutralité climatique d’ici 2050. «Neutralité climatique» est une initiative lancée en 2015 par l’ONU afin d’atteindre l’objectif d’un monde neutre sur le plan climatique avant le milieu du siècle, conformément à l’Accord de Paris.
Pour atteindre cette neutralité climatique, des efforts conjoints des gouvernements, des entreprises et des institutions sont nécessaires. Actuellement, outre la limitation des émissions, il existe deux stratégies pour faire face à l’augmentation constante de la teneur en CO2 dans la biosphère: le captage et le stockage du carbone (en anglais, Carbon Capture and Storage, CCS) et le captage et l’utilisation du carbone (en anglais, Carbon Capture and Utilisation, CCU).
Le stockage (CCS) repose sur le piégeage du CO2, y compris sa séparation, sa compression et son transport, en vue de son stockage permanent dans une couche géologique. Il s’agit de capter le CO2 des centrales électriques et des installations industrielles (par exemple, des centrales au charbon, des usines d’aluminium), de le concentrer, de le pressuriser et de le stocker ensuite sous terre dans des formations géologiques ou de l’utiliser pour la récupération assistée du pétrole. Toutefois, la faisabilité technologique et économique à plus grande échelle de cette stratégie n’a pas été démontrée.
La réutilisation (CCU) implique soit l’utilisation technologique directe du CO2, dans les boissons non alcoolisées ou les extincteurs par exemple, soit sa conversion chimique ou biologique en produits et combustibles à valeur ajoutée. La conversion du CO2 en carburants pourrait être très intéressante. Il convient de souligner que les carburants sont des sources majeures d’émissions de dioxyde de carbone et que la majeure partie du CO2 émis dans l’atmosphère provient de leur combustion.
Présentation schématique du projet européen Interreg E2C: à partir d’électricité renouvelable et de dioxyde de carbone dégagé par des installations industrielles, on procède à l’extraction du carbone afin de fabriquer soit des carburants à base de carbone «recyclé» soit des molécules carbonées d’intérêt pour l’industrie.
Convertir le CO2 en DME, un carburant idéal pour les poids lourds
Dans le cadre du projet européen E2C («Electrons to high value chemical products») notre équipe est impliquée dans la conversion directe du CO2 en diméthyle éther (DME). Le DME est un carburant oxygéné de formule CH3-O-CH3. Son indice de cétane élevé, son taux zéro de soufre et sa faible production des particules et des oxydes d’azote en font un carburant plus «propre» que le gasoil. Les constructeurs automobiles Shanghai Diesel Co, AB Volvo, Isuzu Trucks et Nissan Diesel développent activement des véhicules utilitaires lourds alimentés au DME. Le DME produit à partir de CO2 en utilisant de l’électricité renouvelable aurait une faible empreinte carbone et impacterait très peu le climat.
Produire de l’hydrogène par électrolyse avec des énergies renouvelables
Le DME peut être produit directement par catalyse à partir de CO2 et de H2. Pour que le processus soit durable, encore faut-il que les différents ingrédients le soient aussi. On peut produire le dihydrogène par électrolyse de l’eau en appliquant un courant électrique pour extraire les atomes d’hydrogène et d’oxygène de la molécule d’eau. C’est là qu’intervient l’électricité renouvelable. Mais ceci ne suffit pas: certains défis technologiques doivent être relevés, comme l’efficacité, la durabilité des électrolyseurs, ainsi que leur rendement.
À l’heure actuelle, le coût élevé de cet hydrogène «propre» peut présenter un défi pour la synthèse directe du diméthyle éther à partir du CO2. Le fait que les prix de l’électricité renouvelable baissent contribue à rendre cette option envisageable financièrement dans le futur. Le succès de la production de l’hydrogène à grande échelle par l’électrolyse de l’eau repose sur la disponibilité d’électricité renouvelable bon marché et de règles politiques favorables.
Nos partenaires de l’université d’Exeter au Royaume-Uni travaillent sur la réduction du coût de l’hydrogène en élaborant une gamme de nouveaux catalyseurs pour les électrolyseurs. De plus, des équipes de Polytech Lille sont en train de développer de nouvelles méthodes algorithmiques afin d’optimiser l’utilisation du surplus d’électricité issue des énergies renouvelables (quand il y a trop de vent par exemple) pour produire de l’hydrogène par électrolyse.
Convertir le CO₂ de l’atmosphère en carburant
Pour convertir directement du CO2 en DME, il y a deux étapes: dans la première, le CO2 est hydrogéné pour former du méthanol, tandis que dans la seconde, le méthanol est déshydraté pour former du DME.
Étape 1: Hydrogénation du CO2: CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O
Étape 2: Déshydratation du méthanol: 2CH3OH ↔ CH3OCH3 + H2O
Une des missions de notre équipe lilloise est d’hydrogéner le CO2 et de déshydrater ensuite le méthanol en même temps dans un seul réacteur et avec un seul catalyseur. Il faut concevoir pour cela des catalyseurs «hybrides», ceux qui contiennent deux fonctions catalytiques pour ces deux étapes de synthèse de DME.
Les catalyseurs à base de nanoparticules de cuivre se sont révélés être d’excellents systèmes pour la première étape, à savoir la conversion du CO2 en méthanol. Toutefois, leur stabilité est limitée en raison du«frittage» des nanoparticules pendant la réaction: la catalyse est un phénomène de surface et le frittage conduit à l’augmentation de la taille de nanoparticules métalliques et à la diminution de la surface active de catalyseur. Dans le cadre du projet E2C, nous avons élaboré de nouveaux nanocatalyseurs d’hydrogénation bimétalliques, à base de cuivre promu au palladium, qui montrent une sélectivité et une stabilité améliorées par rapport aux catalyseurs classiques pour l’hydrogénation du CO2 en méthanol.
Pour réaliser la deuxième étape, la déshydratation du méthanol, des catalyseurs acides tels que les zéolites, des aluminosilicates cristallins microporeux, ont été ajoutés à la formulation du catalyseur. Nous avons optimisé leur acidité afin d’obtenir un rendement maximal – c’est-à-dire augmenter la quantité de DME produite par gramme de CO2.
Ces nouveaux catalyseurs ont permis d’obtenir des rendements en DME proches des valeurs maximales définies par la thermodynamique. En outre, la production de produits indésirables tels que le monoxyde de carbone ou les hydrocarbures a été supprimée. Ces résultats démontrent la faisabilité de l’application d’un tel processus dans la pratique à l’échelle de laboratoire.
Afin d’augmenter davantage le rendement en DME et de passer à l’échelle industrielle, nous développons des systèmes catalytiques pour la synthèse de diméthyle éther «améliorée par sorption» (en anglais, Sorption-Enhanced-DME-Synthesis, SEDMES). Cette méthode permet de modifier l’état d’équilibre thermodynamique, selon le principe de Le Chatelier, et d’obtenir une conversion du dioxyde de carbone proche de 100% avec une sélectivité d’environ 80% en DME, grâce à l’adsorption de l’eau formée pendant la réaction.
Ce procédé est en cours de développement à l’échelle industrielle chez le partenaire ECN-TNO, aux Pays-Bas. Ces collaborations entre laboratoires universitaires et centres industriels sont indispensables pour accélérer le développement de ces nouvelles technologies.
Andrei Khodakov Directeur de recherche au CNRS, Université de Lille
Sara Navarro Jaén Chercheuse dans le domaine de la science de matériaux et la catalyse hétérogène, Université de Lille
Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons Lire l’article original sur The Conversation.
