Énergie

Carburer au polluant!

Sortir du modèle énergétique fondé sur le pétrole est une nécessité. Mais les sources d’énergie renouvelables font face à des difficultés de stockage et de transport. Une nouvelle approche pointe à l’horizon: et si on transformait les émissions polluantes, qui saturent l’atmosphère, en carburant? C’est ce qu’a réussi le projet exploratoire Elcat – Electrocatalytic Gas-Phase Conversion of CO2 in Confined Catalysts, achevé en février 2008, en convertissant du dioxyde de carbone en hydrocarbure.

Agrandissement du double assemblage mettant en jeu l’échange protonique  au sein d’une cellule PEC. © Elcata Agrandissement du double assemblage mettant en jeu l’échange protonique au sein d’une cellule PEC. © Elcata
<strong>Réacteur PEC</strong>: les protons  d’hydrogène, issus du craquage de l’eau<strong> </strong>par photocatalyse solaire en  présence d’une nanostructure de titane, sont ensuite transférés à travers une  membrane pour opérer la réduction électrocatalytique du CO2 en  combustibles liquides sur des structures métalliques incorporées à des  nanotubes de carbone. Réacteur PEC: les protons d’hydrogène, issus du craquage de l’eau par photocatalyse solaire en présence d’une nanostructure de titane, sont ensuite transférés à travers une membrane pour opérer la réduction électrocatalytique du CO2 en combustibles liquides sur des structures métalliques incorporées à des nanotubes de carbone.
<strong>Principe de l’arbre artificiel</strong>: le  réacteur photo-électrocatalytique (PEC),<strong> </strong>alimenté par énergie solaire,  craque des molécules d’eau dont les électrons et les protons permettent ensuite  de convertir un flux concentré de CO2 en combustibles liquides. © Elcata Principe de l’arbre artificiel: le réacteur photo-électrocatalytique (PEC), alimenté par énergie solaire, craque des molécules d’eau dont les électrons et les protons permettent ensuite de convertir un flux concentré de CO2 en combustibles liquides. © Elcata

La question énergétique est omniprésente. Personne ne manque de rappeler que les réserves d’hydrocarbures s’épuisent inexorablement et qu’en parallèle, l’atmosphère sature en CO2, avec des conséquences graves que l’on constate chaque jour. Pour changer la donne, un projet de recherche, parmi les plus excitants, veut concevoir et fabriquer des cellules autonomes, capables de transformer le dioxyde de carbone en un carburant liquide directement injectable dans un moteur, et ce en utilisant l’énergie solaire. Le système abritant ce processus peut produire un carburant directement exploitable, contrairement à l’hydrogène, par exemple, dont le développement des infrastructures de distribution nécessite encore des ressources et du temps.

Histoire d’une utopie

Mais au départ, le pari était loin d’être gagné. En effet, la molécule du dioxyde de carbone – CO2 – est particulièrement stable. Dès lors, une réaction très énergivore est nécessaire pour séparer les atomes qui la composent. Et cet appétit énergétique aura raison de l’équipe japonaise de l’Hitachi Green Center qui, dans les années ‘90, explora en précurseur ce procédé. Malgré cela, les scientifiques voulaient garder le rêve à hauteur de la réalité. Au début de la décennie, des chercheurs de l’Université de Messine (IT) décident de prendre la relève. Ils veulent utiliser l’énergie solaire. A priori gratuite et disponible à souhait, elle lève dans un premier temps les barrières de la dépense énergétique. En poursuivant leurs travaux, les scientifiques italiens constatent qu’une réaction électro- catalytique peut être conduite dans des conditions ambiantes de température et de pression. Pour ce faire, ils doivent utiliser des nanotubes, qu’on ne produit à grande échelle que depuis peu. L’équipe de chercheurs rassemble alors autour d’elle des partenaires dont les compétences sont complémentaires. Et c’est de cette manière que démarre en 2004 le projet européen Elcat.

Faisabilité démontrée

Celui-ci est financé à hauteur d’environ 875 000 € dans le cadre du programme NEST – Sciences et technologies nouvelles et émergentes du sixième Programme-cadre. Dominique Bégin, chercheur au CNRS – Centre National de la Recherche Scientifique (FR), responsable de la partie française du projet au laboratoire des matériaux, surfaces et procédés pour la catalyse de l’Université Louis Pasteur, à Strasbourg (FR), dévoile quels types d’objectifs vise Elcat: «Le projet explorait au début la faisabilité du processus. Nous ne nous intéressons pas encore aux rendements car, en l’état des avancements actuels, ils sont infimes.» Les activités menées dans le cadre du projet ont le mérite de prouver la possibilité de la conversion. «Il ne s’agit pas uniquement de recherche fondamentale, mais également d’études appliquées à cette faisabilité, le tout sans volonté de rentabilité», continue le scientifique français.

L’astuce de la chimie douce

Et le processus fonctionne! À partir du dioxyde de carbone, une cellule restitue, dans des conditions raisonnables, des hydrocarbures. La première étape consiste à «craquer» des molécules d’eau en protons et électrons dans le premier compartiment de la cellule, en utilisant l’énergie solaire et un catalyseur en oxyde de titane. Résultat: de l’énergie sous forme d’hydrogène et d’électrons, qu’il s’agira de convertir ensuite, dans une seconde phase, afin d’obtenir une forme énergétique utilisable dans les infrastructures existantes, c’est-à-dire des carburants liquides à haute densité énergétique. Dans cette deuxième étape, de l’autre côté de la cellule, les électrons et protons sont utilisés pour réduire le CO2 et produire des composés CxHy, les fameux hydrocarbures. Cette partie de la réaction a lieu dans des nanotubes de carbone, conducteurs d’électrons. Leurs parois intérieures ont été recouvertes de platine pour permettre la catalyse. Cette technologie est en fait la clé de la réussite par chimie douce, cette discipline récente qui s’inspire du métabolisme des êtres vivants pour contourner la consommation intense d’énergie des réactions qui ne se déclenchent qu’à des pressions et/ou des températures très élevées. Mais l’astuce véritable réside avant tout dans la taille des nanotubes, au diamètre extrêmement petit, de l’ordre de 50 nm. Il en découle un effet de capillarité qui aboutit au confinement des matériaux dans le nanotube: la «pression» s’y élève donc naturellement à une échelle infime. Cela rend alors possible la conversion du CO2 dans un environnement où ni les paramètres de pression, ni ceux de la température, n’ont été modifiés et peuvent être considérés comme standards: 20 °C et 1 atmosphère (= 101,325 kPa).

Hydrocarbures et alcools

Le dispositif intégrant ces réactions consiste en un seul système, qui a effectivement réussi à produire des carburants. «L’année dernière, Elcat a réussi son pari», déclare Linda Perathoner, responsable du projet à l’Université de Messine (IT), «nous avons même conduit la réaction avec du fer, qui coûte beaucoup moins cher que le platine, mais dont le rendement est également moindre.» Autre constat pour les chercheurs: les produits sortant du système ne contiennent pas uniquement du carburant, mais plutôt un mélange composé d’hydrocarbures et d’alcools. Cela est dû au fait que la réaction de l’eau et du CO2 a deux issues possibles (des hydrocarbures – CxHy – et des alcools – CxOHy). Les rapports de quantité de chaque composé dépendent des caractéristiques des matériaux utilisés lors de la catalyse (platine, fer…), de leur quantité, ou encore du diamètre des nanotubes… une multiplicité de facteurs qui empêche encore les scientifiques de maîtriser parfaitement ce ratio aujourd’hui. Mais une fois dissociés, les premiers produits serviront de carburant, et les seconds à la synthèse de dérivés utiles, car ils peuvent être convertis en composés qui peuvent entrer dans tout le cycle de l’industrie chimique, notamment dans les secteurs cosmétique et pharmaceutique. Autant de débouchés qui s’ouvrent dans le sillage du projet.

La réussite d’une collaboration

Le succès d’Elcat repose en grande partie sur un partenariat européen remarquable par sa distribution des tâches. L’équipe de l’Université de Messine (IT) contrôlait les facteurs de la conversion du CO2 en hydrocarbures et alcools avec des membranes échangeuses de protons et des nanotubes de carbone. Les chercheurs de l’Université de Patras (GR) étudiaient, de leur côté, une alternative dans la formation des hydrocarbures, en se servant de membranes conductrices d’anions d’oxygène et de nanotubes de carbone pour soustraire l’oxygène de l’environnement de la réaction, et donc réduire directement le CO2 et l’hydrogène en hydrocarbure. Les scientifiques français, quant à eux, produisaient à grande échelle des nanotubes aux caractéristiques idéales pour la conversion. Et enfin, l’équipe du Fritz Haber Institut à Berlin (Max Planck Institut - DE) s’est impliquée en mettant à disposition leur expertise dans la caractérisation avancée des matériaux. «Chacun a joué un rôle précis», explique Dominique Bégin, «apportant ses compétences et ses capacités. Et une bonne entente a été cruciale, car les recherches menées dans le cadre du projet ne se sont pas faites sans soubresauts. Par exemple, si la production des tubes ouverts a posé de nombreux problèmes, d’autres sont aussi survenus lorsqu’il fallait s’assurer que les particules de platine tapissaient bien l’intérieur des tubes et non l’extérieur, ce qui a pu être prouvé grâce aux vérifications de nos partenaires allemands.»

Et ensuite?

Au final, le système, qui rassemble les deux étapes de conversion, fait seulement quelques cm². Prototype de laboratoire, il n’en ressort pour l’instant que quelques millilitres d’hydrocarbure. Mais de nombreuses perspectives bourgeonnent déjà très concrètement. «Les applications seraient avant tout destinées aux usines et centrales, premières responsables de l’émission de CO2. Elles intégreraient des dispositifs placés au niveau des rejets, comme par exemple dans les cheminées», explique Linda Perathoner. «Cette utilisation devrait se développer à l’échelle industrielle dans une dizaine d’années. D’autres idées émergent aussi, comme l’intégration aux échappements des voitures, ou encore la capture du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère. Mais une fois encore, il ne s’agit que de vues à très long terme», reprend-elle. Linda Perathoner évoque aussi une autre application, des plus surprenantes. «Un satellite d’observation de Mars pourrait être alimenté en énergie. L’atmosphère martienne, très riche en CO2, permettrait à un prototype Elcat de répondre parfaitement aux exigences d’un programme de ce type. Le satellite, en orbite autour de la planète rouge, consommera d’abord ses réserves en combustibles terrestres, avant de produire son propre carburant et de prolonger la durée de son fonctionnement.»

Le rendement d’abord

Mais dans un avenir plus proche, l’équipe se concentre surtout à prolonger le développement du concept. «Le prototype du système et les échantillons d’alcool et d’hydrocarbure qui en sont sortis permettent de convaincre les secteurs public et privé d’investir dans l’amélioration du processus», explique Linda Perathoner. «Et notamment, en commençant à s’intéresser à la question du rendement.» Pour améliorer ce dernier, les coordinateurs du projet ont déjà reçu des propositions de financement du secteur privé. Elcat s’inscrit aussi sur la liste des participants au très médiatique concours Virgin Earth mis sur pied par Richard Branson. Enfin, l’équipe cherchera un nouveau financement dans le cadre du septième Programme-cadre, dès qu’un appel à projets aura lieu dans un domaine correspondant à cette activité. Le développement de ces technologies devrait ouvrir des perspectives encourageantes, avec l’espoir qu’elles puissent offrir des solutions aux questions environnementales et énergétiques.

Delphine d’Hoop, Marie-Françoise Lefevre


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plus de précisions

Une idée à 25 millions de dollars

Telle pourrait être la somme octroyée aux équipes du projet Elcat, s’il remporte le Virgin Earth Challenge organisé par le businessman anglais Richard Branson. Si on peut dire qu’il s’agit d’un beau coup de pub, le montant reste la somme la plus élevée jamais offerte dans le cadre d’une compétition scientifique. Pour la remporter, les projets candidats doivent répondre pertinemment à cette question: «existe-t-il un moyen d’éliminer le CO2 présent dans l’atmosphère?». Et ce ne sont pas les idées qui manquent. Outre les concepts liés à un changement des comportements face à la consommation – le télétravail, par exemple – ou ceux se limitant au stockage du CO2, trois autres projets concurrencent directement Elcat et son objectif de convertir le dioxyde de carbone en carburant. Parmi eux, Artificial Trees développe une technologie d’extraction du CO2 de l’atmosphère via un revêtement absorbant déposé sur les «pales» d’arbres factices. L’objectif: capter l’équivalent de 90 000 tonnes de CO2 par module planté. Ces installations se verraient alors combinées à un système de recyclage du CO2 en diesel de synthèse, directement injectable dans un moteur.

Toujours dans la même lignée, citons également Artificial Leaves, qui se base sur la fabrication de feuilles artificielles constituées de semi-conducteurs. Ces derniers permettraient à la fois de capter le CO2 et de produire de l’oxygène, de l’hydrogène ou des hydrocarbures, selon la nature et l’architecture des surfaces utilisées. Enfin, Algae Bioreactor semble être le concept le plus proche d’une commercialisation à grande échelle. La GreenFuel Technologies Corporation, à la tête du projet, a découvert une algue unicellulaire capable de digérer le CO2 et de produire un biocarburant directement commercialisable. En plus d’investissements en capital à risque colossaux, cette firme est sur le point de concrétiser un partenariat avec des compagnies américaines publiques et privées pour construire une installation électrique. Les algues cultivées produisent 350 millions de litres de biofuel par an, ce qui permet d’alimenter une installation électrique de 1000 MW. Soulignons finalement que, sur les dix projets retenus, un tiers provient de collaborations européennes. Ce qui souligne la bonne compétitivité de notre continent en matière de recherche environnementale.



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