La faisabilité technique de la production de carburants durables est démontrée

Depuis deux ans, des chercheurs dirigés par Aldo Steinfeld, professeur en énergies renouvelables à l'ETH Zurich, exploitent une mini-raffinerie solaire sur le toit du Laboratoire des machines, en plein c?ur de Zurich. Cette installation unique en son genre peut produire des carburants liquides comme le méthanol ou le kérosène à partir de la lumière du soleil et de l'air gr?ce à un procédé en plusieurs étapes.

Dans une interview, l'architecte du projet Steinfeld et le co-auteur de l'étude Anthony Patt, professeur au Département des sciences des systèmes de l'environnement de l'ETH, expliquent ce que les expériences ont révélé, où des optimisations sont nécessaires et comment le kérosène solaire peut réussir son entrée sur le marché.

La mini-raffinerie solaire est en service depuis deux ans. Quel est votre bilan ?
Aldo Steinfeld : "Nous avons pu démontrer avec succès la faisabilité technique de l'ensemble du processus thermochimique de transformation de la lumière solaire et de l'air ambiant en carburants drop-in. L'ensemble du système fonctionne de manière stable dans des conditions réelles d'ensoleillement et nous sert de plateforme unique pour la poursuite de la recherche et du développement.

Qu'entendez-vous par "carburants drop-in" ?
Aldo Steinfeld : Les carburants "drop-in" sont des alternatives synthétiques aux hydrocarbures liquides issus du pétrole, comme le kérosène et l'essence. Ces carburants synthétiques sont entièrement compatibles avec les infrastructures existantes de stockage, de distribution et d'utilisation finale, et peuvent notamment contribuer à la durabilité du transport aérien long-courrier.

Ces carburants synthétiques sont-ils neutres en CO₂-neutre en carbone ?
Aldo Steinfeld : Oui, elles sont des centrales au CO₂-neutre, parce que l'énergie solaire est utilisée pour sa production et parce que sa combustion ne produit que la quantité de CO₂ que celui qui a été prélevé dans l'air auparavant pour leur production. L'écobilan de la cha?ne de production des carburants solaires montre que les émissions de gaz à effet de serre peuvent être évitées à 80% par rapport au kérosène fossile et qu'elles tendent vers zéro si les matériaux utilisés pour la construction des installations de production, tels que le verre et l'acier, sont produits 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 fonctionne-t-elle ?
Aldo Steinfeld : Ce n'est pas de la science-fiction. La technologie est basée sur la thermodynamique pure. Elle se compose de trois unités de conversion thermochimique montées en série. Premièrement : l'unité de séparation de l'air, qui extrait le dioxyde de carbone et l'eau directement de l'air ambiant. Deuxièmement, l'unité d'oxydo-réduction solaire, qui transforme le CO₂ et H₂O en un mélange spécifique de CO et de H₂,Le gaz naturel est transformé en gaz de synthèse. Et troisièmement, l'unité de synthèse Gas-to-Liquid, qui transforme finalement le syngas en hydrocarbures liquides.

Quel a été le rendement en syngaz ou en méthanol au cours des deux années d'exploitation ?
Aldo Steinfeld : Notre mini-raffinerie solaire est une installation destinée à la recherche ; elle n'a donc produit que de petites quantités de carburant. Nous y sommes toutefois parvenus dans des conditions de terrain réelles - avec le rayonnement solaire non optimal de Zurich. Lors d'une journée d'exploitation représentative, la quantité de syngaz produite est d'environ 100 litres standard, qui peuvent être transformés en environ un demi-décilitre de méthanol pur.

Qu'est-ce qui a bien fonctionné, qu'est-ce qui n'a pas été optimal ?
Aldo Steinfeld : Ce qui a été extraordinaire, c'est que nous sommes parvenus à une sélectivité totale. Cela signifie que nous n'avons pas obtenu de sous-produits indésirables lors de la décomposition de l'eau en hydrogène et en oxygène et lors de la décomposition du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone et en oxygène. En outre - et c'est décisif pour l'intégration du processus - nous avons pu adapter la composition du syngaz soit à la synthèse du méthanol, soit à celle du kérosène. Toutefois, le rendement énergétique est encore trop faible. Jusqu'à présent, le rendement le plus élevé que nous ayons mesuré pour le réacteur solaire est de 5,6%. Cette valeur est certes un record mondial pour la fission thermochimique solaire, mais elle n'est pas assez bonne. Des optimisations considérables du processus sont encore nécessaires.

Quelles optimisations sont particulièrement importantes ?
Aldo Steinfeld : La récupération de chaleur entre les étapes de réaction du cycle thermochimique est essentielle, car elle peut augmenter le rendement du réacteur solaire à plus de 20 %. En outre, la structure du matériau redox peut être optimisée, par exemple gr?ce à des structures hiérarchisées imprimées en 3D, qui améliorent le transport de la chaleur et de la matière. Nous faisons de gros efforts dans ces deux directions, et je suis optimiste quant au fait que nous atteindrons bient?t un nouveau record d'efficacité énergétique.

Pour le processus chimique, il faut tout d'abord produire du CO₂ et H₂O sont extraits de l'air et injectés dans le système. Quelle quantité d'énergie doit être utilisée pour cela ?
Le besoin en énergie spécifique par mole de CO capturé₂ est d'environ 15 kilojoules de travail mécanique pour la pompe à vide et de 500 à 600 kilojoules de chaleur à 95°C, selon l'humidité relative. Cependant, nous pouvons utiliser la chaleur résiduelle du réacteur solaire pour alimenter l'extraction. Mais la plus grande partie de la chaleur du processus à haute température est utilisée pour la dissociation de l'eau et du CO₂ et fourni par de l'énergie solaire concentrée.

Cette technologie peut-elle être mise en ?uvre à l'échelle industrielle ?
Aldo Steinfeld : Absolument. Pour la mise à l'échelle, on peut utiliser un champ d'héliostats focalisé sur une tour solaire. La mini-raffinerie solaire actuelle utilise un réacteur solaire de 5 kilowatts. Une installation dix fois plus grande a déjà été testée dans une tour solaire. Pour un module de réacteur solaire de 1 mégawatt, il faut encore changer d'échelle 20 fois. La tour solaire à l'échelle industrielle prévoit une série de modules de réacteur solaire et peut surtout utiliser l'infrastructure de concentration solaire déjà établie pour les centrales thermiques solaires commerciales.

Est-ce que vous et votre groupe allez vous en occuper ?
Aldo Steinfeld : Non, c'est l'affaire de nos partenaires industriels. A l'ETH, nous nous concentrons sur les aspects fondamentaux de la technologie. Mais nous nous occupons aussi du transfert de technologie vers l'industrie, par exemple par l'octroi de licences de brevets. Mon groupe a déjà donné naissance à deux spin-offs, créées par d'anciens doctorants : Climeworks commercialise la technologie de captage du CO₂-de l'air, Synhelion a mis au point une technologie de production de carburant solaire à partir de CO₂ commercialisés.

Anthony Patt, en tant que co-auteur de l'étude Nature, vous avez examiné la manière dont il faudrait organiser l'entrée sur le marché du carburant solaire. Quelle serait une mesure politique efficace pour aider cette technologie à percer ?
Tony Patt : Notre analyse des mesures politiques montre que les mesures de soutien devraient être similaires à celles prises pour l'énergie éolienne et solaire. Lorsque les gouvernements ont commencé à promouvoir ces énergies, l'électricité d'origine éolienne et solaire était dix fois plus chère que l'électricité produite à partir d'énergies fossiles. Aujourd'hui, le rapport de prix entre le kérosène solaire et le kérosène fossile est similaire. La comparaison avec d'autres technologies d'énergie renouvelable montre qu'avec les bonnes mesures d'encouragement, le prix du kérosène produit au moyen de la raffinerie solaire baissera en quelques années pour atteindre le niveau actuel du kérosène fossile.

Quel est l'obstacle qui se dresse sur le chemin ?
Tony Patt : Le plus difficile est de surmonter la barrière des prix initialement élevés. Avec le CO₂-On n'y arrive pas avec des taxes. Si l'on taxait le kérosène fossile pour qu'il devienne aussi cher que le kérosène solaire, le kérosène fossile serait d'abord dix fois plus cher. Personne ne serait prêt à payer ce prix. Et les politiques ne sont pas disposés à introduire des taxes aussi élevées. Pour la promotion de l'énergie solaire et éolienne, des instruments qui ne nécessitent qu'une très faible majoration de prix par rapport aux carburants fossiles qui dominent le marché ont pourtant bien fonctionné. Il suffit alors d'augmenter légèrement le prix des combustibles fossiles pour générer, en raison du pouvoir de marché des énergies fossiles, suffisamment de moyens pour promouvoir les carburants renouvelables. Nous avons besoin d'un tel mécanisme de prix pour aider le réacteur solaire et le kérosène solaire qu'il produit à percer.

Quel est, selon vous, l'instrument le plus efficace pour aider le carburant solaire à percer ?
Tony Patt : Le système le plus approprié est un système de quotas. Cela fonctionne ainsi : Les compagnies aériennes et les aéroports sont tenus d'ajouter à chaque litre de kérosène consommé une part minimale prescrite de carburant d'aviation solaire. Au début, cette proportion sera par exemple de un à deux pour cent. Cela renchérit certes le kérosène dans son ensemble, mais la hausse de prix serait modeste et ne devrait pas dépasser quelques francs sur un billet d'avion pour des vols intra-européens. La quote-part sera ensuite augmentée chaque année jusqu'à ce qu'elle atteigne 100 % au bout d'un certain temps, c'est-à-dire que l'on ne fasse plus le plein qu'avec du kérosène solaire. Les augmentations successives du quota entra?nent une baisse drastique du prix du kérosène solaire, comme nous l'avons observé pour l'énergie éolienne et solaire. Selon nos calculs, même avec une part de 10 à 15%, le kérosène solaire co?tera le même prix que le kérosène fossile. C'est politiquement réaliste et plus facile à mettre en ?uvre.

Où est-il judicieux d'implanter de grandes installations ?
Tony Patt : Le réacteur solaire a besoin de la lumière directe du soleil. C'est pourquoi il n'est judicieux de construire de grandes installations que dans des régions désertiques, par exemple dans le sud de l'Espagne et en Afrique du Nord, dans la péninsule arabique, en Australie, dans le sud-ouest des Etats-Unis, dans le désert de Gobi en Chine ou dans le désert d'Atacama au Chili. La cha?ne de processus solaire a besoin d'eau de l'air comme matière première, et celle-ci est disponible en quantité suffisante même dans l'air sec du désert. De plus, les terres désertiques sont bon marché et il n'y a généralement pas d'autres exigences d'utilisation que dans les régions densément peuplées. Les carburants solaires seraient, comme les carburants fossiles actuels, des matières premières mondiales qui dépendent de la même infrastructure pour le transport et la livraison.

Aldo Steinfeld : Les sites appropriés sont des régions dans lesquelles le rayonnement solaire annuel direct normal est supérieur à 2000 kWh par mètre carré et par an. Contrairement aux biocarburants, qui sont limités par l'approvisionnement en ressources, les besoins mondiaux en carburant solaire pour avions peuvent être satisfaits en utilisant moins d'un pour cent des terres sèches de la planète qui ne sont pas en concurrence avec la production alimentaire. ? titre de comparaison, la consommation mondiale de kérosène dans l'aviation était de 414 milliards de litres en 2019. La surface totale de toutes les installations solaires nécessaires pour couvrir entièrement la demande mondiale représenterait environ 45'000 km² soit l'équivalent de 0,5 % de la superficie du Sahara.