Power-to-Fuel : valorisation du CO₂ et des déchets pour une transition énergétique et circulaire

La transition énergétique actuelle repose sur un défi sociétal majeur : réduire les émissions de gaz à effet de serre pour limiter le réchauffement climatique tout en répondant à une demande énergétique mondiale croissante, encore largement dépendante des ressources fossiles. 

Pour relever ce défi, Antoine Rouxhet, Doctorant à la Faculté des Sciences Appliquées, Chemical Engineering, ULiège, a exposé la pertinence de la technologie « Power-to-Fuel ». Cette approche s'inscrit dans une stratégie globale débutant par la sobriété et l'efficacité énergétique, suivie par l'usage massif des énergies renouvelables. Cependant, la variabilité temporelle et spatiale de ces énergies renouvelables impose des solutions de stockage et de transport performantes. Si les batteries sont utiles, elles présentent une densité énergétique faible par rapport aux molécules chimiques. L'hydrogène, bien qu’offrant une densité énergétique par unité de masse élevée, souffre d'une faible densité énergétique volumique, ce qui freine son utilisation à grande échelle. C’est ici qu’interviennent les carburants de synthèse, comme le kérosène, particulièrement cruciaux pour des secteurs difficiles à électrifier tels que l'aviation longue distance, tout en permettant une forme de stockage et de transport des énergies renouvelables. 

Le procédé consiste à combiner du CO₂ capturé avec de l'hydrogène produit par électrolyse de l'eau, alimentée par le surplus d’énergie renouvelable à stocker. Techniquement, la synthèse directe est complexe car le CO₂ est une molécule très stable. On passe donc par une étape d'activation, la réaction inverse du gaz à l'eau (RWGS), opérée à environ 700°C pour transformer le CO₂ en monoxyde de carbone (CO), plus réactif. Le CO est ensuite transformé via la réaction de Fischer-Tropsch en chaînes hydrocarbonées de longueurs variables, donnant ainsi un mélange que l’on pourrait qualifier de pétrole synthétique. Les défis résident dans la gestion de l'eau produite comme sous-produit par ces réactions, l'orientation de la sélectivité vers des molécules de 8 à 16 atomes de carbone pour le kérosène, et la gestion de l'exothermicité du procédé. Les recherches d'Antoine Rouxhet s'appuient sur une modélisation numérique avancée pour optimiser les bilans de matière et d'énergie, visant notamment une utilisation efficace de la chaleur au sein du procédé. Une unité pilote capable de produire 200 ml de kérosène par heure a également été dimensionnée sur base de ce modèle numérique, permettant de passer de la théorie à la réalité expérimentale. Cette unité servira notamment a validé les résultats numériques obtenus.

Poursuivant cette exploration technologique sous un angle plus fondamental, Motiar Rahaman, Chargé de Cours à la Faculté des Sciences Appliquées, Chemical Engineering, ULiège, a détaillé les méthodes de valorisation durable du dioxyde de carbone par voie électrochimique et photoélectrochimique. Rompre les liaisons carbone-oxygène du CO₂ exige une énergie considérable, d'environ 1600 kJ/mol, nécessitant des systèmes catalytiques performants pour abaisser l'énergie d'activation de ces réactions. Les méthodes de conversion électrochimiques permettent, en utilisant de l'électricité renouvelable, de transformer le CO₂ et l'eau en divers produits selon le catalyseur employé : l'argent ou l'or favorisent la formation de monoxyde de carbone, tandis que des métaux plus mous comme l'indium produisent de l'acide formique. Le cuivre se distingue comme un métal « magique » capable de générer des produits multi-carbones (C2+), tels que l'éthanol et le propanol, grâce à sa capacité unique à coupler les molécules de carbone sur sa surface. La morphologie et la composition des catalyseurs, notamment via des alliages comme le cuivre-indium, sont essentielles pour garantir une sélectivité et une stabilité à long terme. 

Parallèlement, la voie photoélectrochimique utilise directement la lumière du soleil comme source d'énergie. Motiar Rahaman a présenté des dispositifs innovants intégrant des cellules solaires et des catalyseurs pour réaliser des réactions simultanées, comme la valorisation de déchets plastiques en acide glycolique d'un côté, et la conversion du CO₂ de l'autre. Le concept ultime est celui de la feuille artificielle, un dispositif autonome qui, une fois immergé dans une eau saturée en CO₂ et exposé au soleil, produit des alcools renouvelables et de l'oxygène sans apport d'électricité externe. 

Ces technologies, bien que testées à petite échelle, font l'objet de tentatives de scalabilité avec des modules allant jusqu'au mètre carré, nécessitant une encapsulation rigoureuse pour protéger les composants de l'humidité. Les nouveaux laboratoires de l'ULiège visent désormais à pousser ces recherches vers des systèmes économiquement viables pour le marché réel.

Enfin, Han Huynh, CCUS Delivery Manager chez ENGIE Laborelec, a apporté une perspective industrielle indispensable sur l'intégration de ces technologies au sein d'un grand groupe. Le rôle d'un centre de recherche comme Laborelec est de naviguer entre les contraintes économiques, réglementaires et techniques pour identifier les voies technologiques les plus prometteuses. La stratégie d'ENGIE repose sur l'alliance de l'électron et de la molécule, car si l'électrification est prioritaire pour l'efficacité, les molécules restent indispensables pour le stockage et les secteurs « hard-to-abate ». 

Han Huynh souligne que si les briques technologiques individuelles sont aujourd'hui matures, le défi majeur réside dans leur intégration systémique et leur opération flexible. Opérer un réacteur chimique, traditionnellement conçu pour un régime stable, avec une source d'énergie renouvelable intermittente crée des contraintes dynamiques et des risques de dégradation prématurée des équipements. Un autre obstacle de taille est l'accès au CO₂ biogénique de qualité. Avec les nouvelles réglementations européennes, comme la directive RED III, l'usage de sources de CO₂ atmosphérique ou biogénique deviendra obligatoire à terme pour être considéré comme un carburant renouvelable. Or, la logistique de collecte du CO₂ biogénique, souvent dispersé dans de petites unités de biogaz, reste complexe et coûteuse. Concernant le coût, l'hydrogène vert représente la part prépondérante du prix final du carburant de synthèse. 

L'innovation doit donc se concentrer sur l'amélioration de l'efficacité globale, par exemple via l'électrolyse à haute température ou la conversion directe par plasma qui évite la formation parasite d'eau. Malgré une certaine « traversée du désert » pour certains projets, le marché commence à se structurer sous l'impulsion de cadres réglementaires stricts comme FuelEU Maritime et ReFuelEU Aviation, qui imposent des objectifs d'incorporation de carburants de synthèse dès 2030. 

En conclusion, la valorisation du CO₂ n'est plus une simple option mais une nécessité pour décarboner l'industrie, exigeant une collaboration étroite entre la recherche académique, pour l'innovation des matériaux et des procédés, et l'industrie, pour le déploiement à grande échelle et la viabilité économique.

Ce compte-rendu a été rédigé avec l’aide de l’IA.