Les chercheurs du projet Copernicus P2X ont produit le premier litre de carburant à base de dioxyde de carbone, d'eau et d'électricité verte sur le site de l'Institut de technologie de Karlsruhe.

Dans l'installation expérimentale dans un conteneur, les quatre étapes du processus chimique arrivent pour la première fois en août 2019 pour un procédé continu avec une utilisation maximale du dioxyde de carbone et une efficacité énergétique particulièrement élevée.

"Le vent et le soleil nous fournissent une quantité d'énergie suffisante dans le monde entier, mais pas toujours au bon moment", explique le professeur Roland Dittmeyer de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), coordinateur du cluster de recherche "Hydrocarbures et alcools à longue chaîne" au sein du projet Copernicus "Power-to-X" (P2X), pour décrire le dilemme du tournant énergétique. De plus, certains segments importants du transport, comme l'aviation ou les poids lourds, ont besoin de carburants, même à long terme, car ils présentent une densité énergétique élevée". Il est donc logique, selon lui, de stocker l'électricité verte, jusqu'ici inutilisée, dans des sources d'énergie chimiques.

Les partenaires Climeworks, Ineratec, Sunfire et KIT ont maintenant réuni les étapes de processus chimiques nécessaires dans une installation compacte, ont atteint le fonctionnement couplé et ont ainsi démontré le principe de fonctionnement. Cette combinaison de technologies promet une utilisation optimale du dioxyde de carbone utilisé et le plus grand rendement énergétique possible, puisque les flux de matière et d'énergie sont recyclés en interne.

L'installation expérimentale actuelle peut produire environ dix litres de carburant par jour. Dans la deuxième phase du projet Copernic P2X, une installation de 200 litres par jour sera bientôt développée. Ensuite, une installation de démonstration préindustrielle de l'ordre du mégawatt, soit une capacité de production d'environ 1500 à 2000 litres par jour, devrait voir le jour. Il serait ainsi théoriquement possible d'atteindre des rendements d'environ 60 pour cent, c'est-à-dire de stocker 60 pour cent de l'électricité verte utilisée sous forme d'énergie chimique dans le carburant.

Quatre étapes pour obtenir de l'essence

Dans un premier temps, l'installation récupère le dioxyde de carbone de l'air ambiant dans un processus cyclique. La technologie de capture directe de l'air de Climeworks, une spin-off de la EPF Zurichutilise pour cela un matériau filtrant spécialement traité. Comme une éponge, les filtres parcourus par l'air absorbent les molécules de dioxyde de carbone. Sous vide et à 95 degrés Celsius, le dioxyde de carbone adhérent se détache de la surface et est pompé.

Cette installation de Climeworks filtre le CO₂ de l'air ambiant. Capture d'écran : climeworks.com

Co-électrolyse

La deuxième étape consiste en une dissociation électrolytique simultanée du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau. Cette co-électrolyse de l'entreprise technologique Sunfire produit en une seule étape de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, un gaz de synthèse qui est à la base de nombreux procédés dans l'industrie chimique. La co-électrolyse à haut rendement peut, à l'échelle industrielle, lier chimiquement 80 pour cent de l'électricité verte utilisée dans le gaz de synthèse.

Procédé Fischer-Tropsch

Dans la troisième étape, après le Procédé Fischer-Tropsch des molécules d'hydrocarbures à longue chaîne sont formées à partir du gaz de synthèse, les produits bruts pour les carburants. Pour ce faire, Ineratec, une spin-off du KIT, fournit un réacteur qui offre une grande surface dans un espace réduit afin d'évacuer en toute sécurité la chaleur du processus et de l'utiliser pour d'autres étapes du processus. De cette manière, le processus est facile à contrôler, peut bien supporter les changements de charge et est extensible de manière modulaire.

Principe de fonctionnement de l'installation Climeworks. Capture d'écran : climeworks.com

Optimisation du carburant

Enfin, la quatrième étape optimise la qualité du carburant et le rendement. Le KIT a intégré ce sous-processus, appelé hydrocraquage, dans la chaîne de processus. Sous atmosphère d'hydrogène, les longues chaînes d'hydrocarbures se décomposent partiellement en présence d'un catalyseur à base de platine et de zéolithe, modifiant ainsi la gamme de produits vers des carburants plus utilisables comme l'essence, le kérosène et le diesel.

Le procédé offre un potentiel particulièrement important en ce qui concerne son caractère modulaire. Grâce au faible risque de mise à l'échelle, le seuil de réalisation est nettement plus bas que pour une grande installation chimique centralisée. Le procédé peut être installé de manière décentralisée et peut donc être utilisé là où l'énergie solaire, éolienne ou hydraulique est disponible.

Première installation expérimentale intégrée Power-to-Liquid (PtL) au monde pour la synthèse de carburants à partir du dioxyde de carbone de l'air. Photo : Auto-Medienportal.Net/Prpjekt Power2X

Utilisation flexible des ressources renouvelables

"Power-to-X" désigne les technologies qui transforment l'électricité issue de sources renouvelables en stockage matériel de l'énergie, en vecteurs énergétiques et en produits chimiques à forte intensité énergétique. Les énergies renouvelables peuvent ainsi être utilisées sous forme de carburants sur mesure pour les véhicules automobiles ou dans des plastiques et des produits chimiques améliorés à forte valeur ajoutée. Dans le cadre du programme Copernicus du gouvernement fédéral allemand, une plateforme de recherche nationale a été mise en place pour ce champ thématique complexe avec le projet "Power-to-X" (P2X).

Au total, 18 instituts de recherche, 27 entreprises industrielles et trois organisations de la société civile participent à P2X. En l'espace de dix ans, les nouveaux développements technologiques doivent être amenés à maturité industrielle. Au cours de la première phase de financement, l'accent sera mis sur les travaux de recherche portant sur l'ensemble de la chaîne de création de valeur, de l'énergie électrique aux sources d'énergie matérielles et aux produits.

Source : ampnet/Sm