Démonstration de la faisabilité technique de la production de carburants durables
Depuis deux ans, des chercheur·ses dirigé·es par Aldo Steinfeld, professeur de transporteurs d'énergie renouvelable à l'ETH Zurich, font fonctionner une mini-raffinerie solaire sur le toit du Laboratoire des machines, au centre de Zurich. Ce système unique peut produire des carburants de transport liquides, comme le méthanol ou le kérosène, à partir de la lumière du soleil et de l'air dans un processus thermochimique à plusieurs étapes.
Dans une interview, l'architecte du projet, Aldo Steinfeld, et le co-auteur de l'étude, Anthony Patt, professeur au département de science des systèmes environnementaux de l'ETH Zurich, expliquent ce que les expériences ont révélé, les points à optimiser et comment le kérosène solaire peut réussir à pénétrer le marché.
La mini-raffinerie solaire installée sur le toit d'un bâtiment de l'ETH Zurich est maintenant en service depuis deux ans. Comment résumeriez-vous ce travail?
Aldo Steinfeld: Nous avons démontré avec succès la viabilité technique de l'ensemble de la chaîne de processus thermochimique pour convertir la lumière du soleil et l'air ambiant en carburants de transport «drop-in». L'ensemble du système intégré fonctionne de manière stable dans des conditions réelles de rayonnement solaire intermittent et sert de plateforme unique pour la poursuite de la recherche et du développement.
Dans le titre de votre article paru dans Nature, vous faites référence à des carburants de substitution. Qu'entendez-vous par là?
Aldo Steinfeld: Les carburants drop-in sont des alternatives synthétiques aux hydrocarbures liquides dérivés du pétrole, tels que le kérosène et l'essence, qui sont entièrement compatibles avec les infrastructures existantes de stockage, de distribution et d'utilisation des carburants de transport. Ces carburants synthétiques peuvent notamment contribuer à rendre l'aviation long-courrier durable.
S'agit-il de carburants neutres en carbone?
Aldo Steinfeld: Oui, ils sont neutres en carbone parce que l'énergie solaire est utilisée pour leur production et parce qu'ils ne libèrent lors de leur combustion que la quantité de CO2 qui a été précédemment extraite de l'air pour leur production. L'évaluation du cycle de vie de la chaîne de production des carburants solaires indique que les émissions de gaz à effet de serre sont évitées à 80% par rapport au carburéacteur fossile et qu'elles approchent les 100%, voire l'absence d'émissions, lorsque les matériaux de construction (acier, verre, etc.) sont fabriqués à partir d'énergies renouvelables.
Une raffinerie qui produit des carburants à partir de la lumière du soleil et de l'air... cela ressemble à de la science-fiction. Comment cela fonctionne-t-il?
Aldo Steinfeld: Ce n'est pas de la science-fiction, c'est basé sur la thermodynamique pure. La raffinerie solaire se compose de trois unités de conversion thermochimique intégrées en série: Premièrement, l'unité de capture directe de l'air, qui co-extrait le CO2 et le H2O directement de l'air ambiant. Deuxièmement, l'unité d'oxydoréduction solaire, qui convertit le CO2 et le H2O en un mélange spécifique de CO et de H2 appelé gaz de synthèse. Et troisièmement, l'unité de synthèse gaz-liquide, qui convertit finalement le gaz de synthèse en hydrocarbures liquides.
Quel était le rendement du gaz de synthèse / méthanol ?
Aldo Steinfeld: Notre mini-raffinerie solaire est en effet un mini système destiné à la recherche. Et bien que nous ayons produit des quantités relativement faibles de carburant, nous l'avons fait dans des conditions réelles de terrain avec l'irradiation solaire pas si optimale de Zurich. Par exemple, au cours d'une journée représentative, la quantité de gaz de synthèse produite est d'environ 100 litres standard, qui peuvent être transformés en environ un demi-décilitre de méthanol pur. Plusieurs composants de la chaîne de production ne sont pas encore optimisés. L'optimisation est la prochaine étape.
Qu'est-ce qui s'est bien passé, et qu'est-ce qui n'était pas optimal?
Aldo Steinfeld: Ce qui était exceptionnellement positif, c'est que nous avons atteint une sélectivité totale. Cela signifie que nous n'avons pas obtenu de sous-produits indésirables lors de la scission de l'eau en hydrogène et en oxygène et lors de la scission du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone et en oxygène. De plus, et c'est crucial pour l'intégration du procédé, nous avons pu adapter la composition du gaz de synthèse pour la synthèse du méthanol ou du kérosène. Cependant, le rendement énergétique est encore trop faible. À ce jour, la valeur d'efficacité la plus élevée que nous ayons mesurée pour le réacteur solaire est de 5,6%. Bien que cette valeur constitue un record mondial pour le fractionnement thermochimique solaire, elle n'est pas suffisante. Une optimisation substantielle du processus est encore nécessaire.
Comment peut-on encore améliorer le système pour accroître son efficacité?
Aldo Steinfeld: La récupération de la chaleur entre les étapes d'oxydoréduction du cycle thermochimique est essentielle car elle permet de porter le rendement du réacteur solaire à plus de 20%. En outre, il est possible d'optimiser la structure du matériau redox, par exemple au moyen de structures hiérarchiquement ordonnées imprimées en 3D pour améliorer le transfert de chaleur et de masse. Nous déployons des efforts considérables dans ces deux directions et je suis convaincu que nous serons bientôt en mesure d'annoncer un nouveau record d'efficacité énergétique.
Pour le processus chimique, le CO2 et le H2O doivent d'abord être extraits de l'air et introduits dans le système. Combien d'énergie doit-on investir pour cela?
Aldo Steinfeld: Les besoins énergétiques spécifiques par mole de CO2 capturé sont d'environ 15 kJ de travail mécanique pour le pompage sous vide et de 500 à 600 kJ de chaleur à 95°C en fonction de l'humidité relative de l'air. En principe, nous pouvons utiliser la chaleur résiduelle pour faire fonctionner l'unité de capture directe de l'air. Mais une énorme quantité de chaleur de processus à haute température est nécessaire pour séparer le H2O et le CO2, et elle est fournie par l'énergie solaire concentrée.
Le passage à l'échelle industrielle est-il possible?
Aldo Steinfeld: Certainement. Un champ d'héliostats concentré sur une tour solaire peut être utilisé pour la mise à l'échelle. La mini-raffinerie solaire actuelle utilise un réacteur solaire de 5 kW, et bien qu'une échelle de 10x du réacteur solaire ait déjà été testée dans une tour solaire, une échelle supplémentaire de 20x est encore nécessaire pour un module de réacteur solaire de 1 MW. La tour solaire de taille commerciale prévoit un réseau de modules de réacteurs solaires et, notamment, peut utiliser l'infrastructure de concentration solaire déjà établie pour les centrales solaires thermiques commerciales.
Est-ce que vous et votre groupe vous occupez de cela?
Aldo Steinfeld: Non, cela dépend de nos partenaires industriels. A l'ETH Zurich, nous nous concentrons sur les aspects les plus fondamentaux des technologies. Mais nous nous occupons également du transfert de technologie vers l'industrie, par exemple par le biais de licences de brevets. Deux spin-offs ont déjà émergé de mon groupe, fondées par d'anciens doctorants: Climeworks commercialise la technologie de capture du CO2 dans l'air, tandis que Synhelion commercialise la technologie de production de combustible solaire à partir de CO2.
Anthony Patt, en tant que co-auteur de l'étude, vous avez examiné comment les combustibles solaires pourraient entrer sur le marché et devenir compétitifs. Quels types de politiques faudrait-il mettre en place pour rendre cela possible?
Anthony Patt: Notre analyse des instruments politiques montre la nécessité d'un soutien technologique similaire à celui qui a existé pour les énergies solaire et éolienne. Ces deux énergies coûtaient environ dix fois plus cher à construire et à exploiter que les générateurs fossiles, lorsque les gouvernements ont commencé à les soutenir. Le rapport de prix actuel du kérosène solaire par rapport au fossile est du même ordre. Une comparaison avec d'autres technologies d'énergie renouvelable montre qu'avec un mécanisme de soutien similaire, il devrait être possible de ramener le coût du kérosène solaire au coût actuel du carburant d'aviation fossile.
Quels sont les obstacles les plus importants?
Anthony Patt: Le plus difficile est de surmonter l'obstacle du prix initial élevé. Les taxes sur le carbone ne seront probablement pas efficaces. Si nous devions taxer le carburant d'aviation fossile au point que son coût pour les compagnies aériennes soit le même que celui des carburants solaires, ce qui serait nécessaire, cela signifierait le rendre dix fois plus cher. Personne ne voudrait payer ce coût supplémentaire pour prendre l'avion, et les politicien·nes ne seraient pas disposé·es à imposer ce fardeau aux gens. Avec l'énergie solaire et l'énergie éolienne, en revanche, d'autres instruments politiques s'adaptent bien mieux au contexte. Ils ont imposé un petit coût supplémentaire sur la totalité de l'électricité consommée, et ont utilisé ces recettes pour financer le coût que l'éolien et le solaire ont ajouté au système. De même pour les carburants, il suffirait d'imposer un petit coût supplémentaire sur le vol, grâce à la domination actuelle du marché par les combustibles fossiles, pour financer les investissements dans la production de carburants renouvelables. Cela aiderait certainement le réacteur solaire et les carburants solaires à s'imposer sur le marché.
A votre avis, quel serait l'instrument politique idéal pour aider les combustibles solaires sur le marché?
Anthony Patt: L'instrument le plus adapté au marché des carburants serait un système de quotas. Il fonctionnerait comme suit: les compagnies aériennes et les aéroports seraient tenus d'avoir une part minimale de carburants renouvelables dans le volume total de carburant qu'ils mettent dans leurs avions. Cette part serait faible au départ, de l'ordre de 1 ou 2 % par exemple. Cela augmenterait le coût total du carburant, mais de façon minime; le quota initialement faible n'ajouterait que quelques francs suisses au coût d'un vol européen typique. Le quota augmenterait chaque année, pour atteindre finalement 100%, ce qui signifierait que seuls les combustibles solaires seraient brûlés. L'augmentation du quota entraînerait des investissements et, par conséquent, une baisse des coûts, comme nous l'avons observé pour l'énergie éolienne et solaire. Lorsque les combustibles solaires atteindront 10 à 15% du volume de combustible, leurs coûts devraient se rapprocher de ceux du kérosène fossile. Il s'agit d'une stratégie politiquement réalisable et simple à mettre en œuvre.
Quels emplacements conviendraient pour de grandes installations de production?
Anthony Patt: Un réacteur solaire a besoin de la lumière directe du soleil, sans nuages. Il est logique de les construire dans des environnements arides, comme ceux de l'Espagne du Sud et de l'Afrique du Nord, de la péninsule arabique, de l'Australie, du sud-ouest des États-Unis, du désert de Gobi en Chine ou du désert d'Atacama au Chili. La chaîne de processus condense l'eau de l'air comme un intrant, mais même l'air du désert est suffisamment humide pour fournir les quantités nécessaires. Enfin, les terres désertiques sont relativement bon marché, sans utilisations concurrentes. Les combustibles solaires seraient une marchandise mondiale similaire aux combustibles fossiles actuels, et s'appuieraient en effet sur les mêmes infrastructures de base pour le transport et la livraison.
Aldo Steinfeld: Les sites appropriés sont les régions pour lesquelles le rayonnement solaire direct normal annuel est supérieur à 2000 kWh/m2 par an. Contrairement aux biocarburants, qui sont limités par la disponibilité des ressources, la demande mondiale de carburéacteur peut être satisfaite en utilisant moins d'un pour cent des terres arides de la planète, ce qui ne concurrence pas la production alimentaire. Pour mettre cela en contexte, la consommation mondiale de kérosène pour l'aviation en 2019 était de 414 milliards de litres; l'empreinte terrestre totale de toutes les centrales solaires nécessaires pour satisfaire pleinement la demande mondiale serait d'environ 45 000 km2, soit l'équivalent de 0,5% de la superficie du désert du Sahara.
