Transformez la lumière du soleil et le CO₂ en combustibles synthétiques durables et renouvelables

La conversion du dióxido de carbono et de la lumière du soleil en combustibles liquides n’est plus une simple idée de laboratoire. Au cours des dernières années, plusieurs équipes de recherche européennes et asiatiques ont fait des avancées significatives pour que certains carburants de demain proviennent du CO₂ considéré comme un déchet aujourd’hui.

En Espagne, un projet dirigé par l’Université Publique de Navarre collabore avec des centres technologiques et des entreprises pour concevoir des dispositifs capables de produire des combustibles synthétiques renouvelables à partir d’eau et de CO₂. Parallèlement, d’autres pays perfectionnent des systèmes de photosynthèse artificielle pouvant intégrer ces chaînes de production, dessinant un scénario où « fabriquer un carburant à partir de l’air » devient réel.

Panel-to-Fuel : produire des combustibles avec le soleil, l’eau et le CO₂ en Espagne

Le projet Panel-to-Fuel, soutenu par l’Université Publique de Navarre à travers l’institut INAMAT², le Centre Technologique Lurederra et la société Ingénierie Navarre Mécanique (INM), vise à démontrer qu’il est possible de produire des combustibles synthétiques en utilisant uniquement des ressources renouvelables : l’énergie solaire, l’eau et le CO₂ capturé de l’air.

L’idée centrale est de remplacer partiellement les combustibles liquides dérivés du pétrole par des alternatives compatibles avec les moteurs actuels, mais générées par des processus qui ne contribuent pas à l’augmentation du CO₂ dans l’atmosphère. Pour cela, un cycle est envisagé où le CO₂ est capturé de l’air, l’hydrogène vert est obtenu grâce à la lumière solaire, puis les deux sont combinés pour créer des combustibles synthétiques utilisables dans les transports.

Cet objectif vise à répondre à l’un des grands défis climatiques : la décarbonisation des secteurs difficiles à électrifier, tels que le transport lourd par route, le maritime ou l’aviation, où la substitution directe par des batteries n’est pas toujours viable techniquement ou économiquement.

Le projet ne se limite pas au développement chimique ; il inclut également des analyses économiques et environnementales pour déterminer si le processus peut rivaliser, à moyen terme, avec les options fossiles traditionnelles et d’autres alternatives renouvelables déjà sur le marché.

Un panneau photocatalytique inspiré des plantes

Au cœur de Panel-to-Fuel se trouve un panneau photocatalytique qui fonctionne différemment d’une cellule photovoltaïque classique. Au lieu de générer de l’électricité, ce dispositif utilise l’énergie solaire pour ségréguer les molécules d’eau et produire de l’hydrogène, sans avoir besoin de recourir à l’énergie du réseau.

L’Université Publique de Navarre conçoit des réacteurs fabriqués par impression 3D, avec des géométries adaptées pour que la radiation solaire atteigne de manière optimale les matériaux actifs. L’objectif est d’accroître la répartition de la lumière sur la surface où se déroule la réaction, augmentant ainsi la quantité d’hydrogène pouvant être obtenue à partir de l’eau.

Le Centre Technologique Lurederra fournit des nanomatériaux capables de capter et d’exploiter l’énergie solaire avec une grande efficacité. Ces composés agissent comme photocatalyseurs, c’est-à-dire qu’ils déclenchent et accélèrent les réactions chimiques lorsqu’ils reçoivent des photons, de manière similaire aux pigments présents dans les feuilles des plantes lors de la photosynthèse naturelle.

La société Ingénierie Navarre Mécanique est chargée de l’ingénierie du premier prototype intégré, une unité de démonstration qui réunira en un même système la production d’hydrogène, la capture de CO₂ et la synthèse subséquente des combustibles renouvelables.

Parallèlement au développement de ces équipements, le consortium travaille sur des matériaux adsorbants pour capturer le CO₂ de l’air, capables de retenir ce gaz à leur surface et de le libérer ensuite de manière contrôlée pour l’introduire dans les réactions de conversion.

De CO₂ et d’hydrogène à des combustibles liquides : méthanol et Fischer-Tropsch

Une fois que le hydrogène vert et le CO₂ capturé sont disponibles, l’étape suivante consiste à les transformer en molécules pouvant être utilisées comme combustibles liquides. L’équipe dirigée par Luis Gandía Pascual et Fernando Bimbela Serrano examine deux voies principales pour y parvenir.

La première utilise le méthanol comme étape intermédiaire. Dans ce cas, le CO₂ réagit avec l’hydrogène pour former du méthanol, une molécule qui peut ensuite être transformée en combustibles plus complexes ou utilisée directement dans certaines applications industrielles et énergétiques.

La seconde voie repose sur une version adaptée du procédé Fischer-Tropsch, une technologie connue permettant de convertir des mélanges de monoxyde de carbone et d’hydrogène en hydrocarbures liquides similaires aux carburants conventionnels. Ici, la clé réside dans l’ajustement des conditions et des catalyseurs afin de partir de CO₂ et d’obtenir des mélanges adéquats de gaz alimentant ce processus.

Le consortium compare les deux options pour déterminer quelle voie s’intègre le mieux dans la chaîne complète, en tenant compte de l’efficacité énergétique, des coûts d’exploitation, de la complexité technique et de l’intégration avec le module de capture de CO₂ et le panneau photocatalytique de production d’hydrogène.

Selon Fernando Bimbela, chercheur responsable du groupe QuiProVal à l’Université Publique de Navarre, les prototypes développés ont déjà permis d’obtenir du méthane solaire à partir de CO₂ et d’hydrogène vert, et des travaux sont en cours pour passer à des hydrocarbures avec un plus grand nombre d’atomes de carbone, plus proches des combustibles liquides utilisés quotidiennement.

Conception incurvée, système modulaire et soutien européen

L’un des éléments distinctifs de Panel-to-Fuel est la création d’un réacteur à conception incurvée qui concentre la radiation solaire précisément dans la zone où se déroulent les réactions chimiques les plus cruciales. Cette géométrie permet de mieux exploiter à la fois la lumière et la chaleur du soleil, augmentant l’efficacité du système.

L’objectif final est de disposer d’un système modulaire capable de fonctionner de manière continue et stable, réalisant simultanément trois tâches : produire de l’hydrogène, capturer le CO₂ de l’air et le transformer en combustibles synthétiques. La modularité faciliterait l’adaptation de la capacité de production à différents environnements, allant d’installations pilotes proches de centres de recherche à des usines de plus grande envergure adjacentes à des secteurs industriels ou logistiques.

Au-delà de la conception technique, le projet inclut des études de viabilité économique et d’impact environnemental, essentielles pour évaluer si ces combustibles synthétiques peuvent rivaliser avec le diesel, l’essence ou le kérosène conventionnels, ainsi qu’avec des alternatives comme le véhicule électrique ou l’hydrogène comprimé.

Panel-to-Fuel bénéficie d’un financement de l’Agence d’État de Recherche, du Plan de Récupération, Transformation et Résilience, et des fonds européens NextGenerationEU, ainsi que d’aides telles que RENOCogen, renforçant le rôle de ce type de projets dans la stratégie de décarbonisation et de reindustrialisation verte de l’Espagne et de l’Union Européenne.

Le projet inclut des chercheurs de l’Université Publique de Navarre tels que Luis Gandía, Fernando Bimbela et Ismael Pellejero, du Centro Tecnologico Lurederra comme Cristina Salazar et Carmen Garijo, et de la société Ingénierie Navarre Mécanique, parmi eux Uxue Llorente, illustrant une collaboration étroite entre université, centre technologique et tissu industriel.

Photosynthèse artificielle : avancées internationales vers des combustibles solaires

Alors que l’on travaille en Navarre à intégrer l’ensemble du processus dans un seul système modulaire, d’autres groupes internationaux avancent dans la pièce complémentaire : des catalyseurs photoniques haute performance capables de transformer le CO₂ en utilisant uniquement la lumière solaire et l’eau comme intrants principaux.

Un exemple récent provient d’une équipe de l’Académie Chinoise des Sciences et de l’Université de Science et Technologie de Hong Kong, qui a présenté un système de photosynthèse artificielle publié dans la revue Nature Communications. Leur méthode utilise un matériau nommé Ag/WO₃, un trioxyde de tungstène modifié avec de l’argent, agissant comme une sorte de réservoir temporaire d’électrons au sein du catalyseur.

Lorsqu’il est éclairé, ce matériau peut stocke et libérer des électrons de manière contrôlée, ce qui est crucial pour réduire le CO₂ plus efficacement. En l’associant à un catalyseur moléculaire basé sur le cobalt, la ftalocyanine de cobalt, le système réussit à convertir le CO₂ et l’eau en monoxyde de carbone à une vitesse bien supérieure à celle de configurations précédentes.

En laboratoire, des productions de l’ordre de 1,5 millimole de monoxyde de carbone par gramme de catalyseur par heure ont été atteintes, environ cent fois plus que le même catalyseur de cobalt sans le « réservoir de charge » fourni par l’Ag/WO₃. Bien qu’il s’agisse encore d’échelles réduites, cette amélioration de performance est significative d’un point de vue scientifique.

Ce monoxyde de carbone, bien qu’il ne soit pas un carburant prêt à l’emploi, constitue l’un des blocs chimiques de base pour la fabrication de combustibles synthétiques, par le biais de routes industrielles déjà connues, comme la synthèse de gaz (syngas) suivie de processus de type Fischer-Tropsch, en accord avec ce qui est exploré dans des projets tels que Panel-to-Fuel.

Une conception plus propre : l’eau comme source d’électrons

Un des problèmes courants des nombreux schémas de photosynthèse artificielle est la nécessité d’utiliser des agents sacrificables, des substances supplémentaires qui facilitent la réaction mais qui sont consommées et génèrent des déchets. La conception chinoise tente de surmonter cette limitation en utilisant l’eau comme source d’électrons, une approche plus proche du fonctionnement d’une feuille réelle.

Dans la nature, des molécules comme la plastoquinone stockent des électrons brièvement pour coordonner plusieurs réactions photochimiques simultanément. S’inspirant de ce comportement, le système avec Ag/WO₃ permet au tungstène de changer d’état d’oxydation lors de la réception et de la cession d’électrons, de sorte que le catalyseur qui réduit le CO₂ dispose de plus de charge disponible plus longtemps.

Ce mécanisme de stockage intermittent de charge réduit les pertes et améliore l’efficacité globale du processus, essentiel si l’on souhaite que ces systèmes passent du laboratoire aux applications pratiques où le coût par kilogramme de produit est déterminant.

Un point intéressant est que le dispositif fonctionne non seulement sous un éclairage artificiel contrôlé, mais a également été testé avec de lumière solaire naturelle, maintenant sa capacité de transformation du CO₂ en monoxyde de carbone. Cela suggère que la technologie pourrait potentiellement s’intégrer dans des réacteurs alimentés directement par des énergies renouvelables, sans recourir nécessairement au réseau électrique.

D’un point de vue matériel, la stratégie avec Ag/WO₃ se présente comme un approvisionnement relativement polyvalent, car le même support pourrait être combiné avec différents catalyseurs spécifiques en fonction du produit final souhaité, ouvrant la voie à une gamme plus large de combustibles et de composés chimiques d’origine solaire.

Impact climatique, défis et cohérence avec les politiques européennes

La possibilité de convertir le CO₂ en combustibles synthétiques grâce à la lumière du soleil s’intègre parfaitement dans les stratégies de décarbonisation européennes, mais sa contribution réelle dépendra de l’ensemble du cycle de vie. Pour que ces combustibles soient climatiquement neutres, le CO₂ utilisé doit provenir de sources capturées, qu’il s’agisse d’émissions industrielles ou d’une capture directe de l’air, et tout le processus doit être alimenté par de l’énergie renouvelable.

Même en respectant ces conditions, les experts estiment que l’efficacité globale est encore loin de l’idéal. Chaque étape —capture du CO₂, production d’hydrogène, conversion en combustibles liquides, stockage et distribution— implique des pertes d’énergie qui se traduisent par des coûts économiques et la nécessité d’une plus grande capacité renouvelable installée.

Malgré cela, ces combustibles solaires pourraient jouer un rôle important dans les secteurs où l’électrification directe est compliquée ou où le remplacement à court terme des moteurs et des infrastructures existantes est difficile. L’aviation, le transport maritime ou certaines industries lourdes figurent régulièrement sur cette liste des « difficiles à réduire ».

Du point de vue de la politique énergétique, de nombreuses questions pratiques se posent également : quel sera le coût d’un litre de ce type de carburant par rapport au diesel ou à l’essence traditionnels, comment s’intégrera-t-il dans les raffineries et réseaux existants, et quel niveau de soutien ces technologies recevront-elles par rapport à d’autres options comme les véhicules électriques ou l’hydrogène pour piles à combustible.

En Europe, la combinaison de projets comme Panel-to-Fuel avec des avancées internationales en photosynthèse artificielle et nouveaux catalyseurs indique un avenir où le CO₂ ne sera plus uniquement perçu comme un problème, mais plutôt vu comme un potentiel de ressource. Tandis que le climat se réchauffe et que le prix des carburants fluctue, le développement de combustibles synthétiques renouvelables basés sur la lumière solaire et le CO₂ semble être une voie prometteuse pour que l’industrie et l’environnement avancent ensemble.