Une tonne d’e-carburant coûte dix fois plus cher à produire qu’une tonne de carburant fossile. Voilà un frein majeur à l’essor de ce nouveau type de carburant, malgré les contraintes imposées par la réglementation. Selon Bruna Rêgo de Vasconcelos, professeure adjointe à l’université de Sherbrooke, au Canada, ce prix élevé s’explique notamment « par le coût en capital, c’est-à-dire celui des machines et principalement de l’électrolyseur, mais aussi de l’électricité renouvelable. Une étude comparant les coûts de production de différents carburants (méthanol, diesel...) par la voie thermocatalytique a montré qu’ils étaient similaires à cause des coûts de l’electrolyseur et de l’électricité. »
Pour les diminuer, et réduire le besoin important en ressources, que ce soit en eau, en électricité ou en CO2, les chercheurs travaillent sur de nouvelles technologies. « Dans un premier temps, l’idée est d’utiliser l’électricité décarbonée directement pour activer la molécule de CO2 et la transformer en hydrocarbure, indique Claire Gauthier, la cheffe du programme Économie circulaire du carbone au CEA. C’est par exemple ce que l’on fait avec la co-électrolyse : on a du CO2 dans une solution aqueuse et, avec l’électricité, on produit du CO à une électrode et de l’hydrogène à l’autre. C’est aussi une alternative à la réaction du gaz à l’eau inverse. » Dotée d’un TRL entre 4 et 6, la co-électrolyse a pour principaux inconvénients une faible sélectivité – la réaction donne beaucoup de coproduits – et un faible niveau de conversion du CO2, souligne Bruna Rêgo de Vasconcelos. « Mais beaucoup de travaux d’optimisation de conversion et de sélectivité sont menés. Ce sont des processus qui évoluent quand même très rapidement », nuance-t-elle.
Dans la même veine, mais plus en rupture, il existe une voie directe pour éviter le passage par le CO. Cette approche nécessite la mise au point de catalyseurs particuliers. En effet, « il y a plusieurs problèmes spécifiques au CO2, une molécule très stable. Il faut réussir à casser ses liaisons carbone-oxygène pour en créer d’autres en carbone-carbone. Ce sont des réactions d’une très grande complexité, impliquant un grand nombre d’électrons et de protons, et cinétiquement très contraignantes », détaille Marc Fontecave, professeur au Collège de France et détenteur de la chaire Chimie des processus biologiques. « Tout l’enjeu est de trouver le catalyseur qui fasse les réactions les plus sélectives possibles. Cette sélectivité est difficile à atteindre. Car lorsqu’on envoie des protons et des électrons sur du CO2, on obtient au moins une dizaine de produits. »
Un enjeu auquel il s’attaque avec succès. En collaboration avec TotalEnergies, son laboratoire est parvenu à mettre au point un nouveau catalyseur. À base de cuivre légèrement dopé à l’argent et à l’or, il permet de transformer le CO en éthanol et propanol, deux précurseurs de carburants, dans des électrolyseurs dédiés à la conversion des gaz. « Nous avons réussi à avoir un rendement faradique d’alcool record, proche de 75 %, alors que les performances précédentes se situaient autour de 50 %. » Un procédé qui implique pour le moment d’ajouter une étape de transformation du CO2 en CO. « Mais nous travaillons maintenant sur la réduction directe du CO2 puisque notre idée reste de diminuer au maximum l’investissement en capital, et donc de réduire le nombre d’étapes, souligne le spécialiste. Cependant, cette technologie, aujourd’hui à un TRL 3, ne sera viable que si les prix de l’électricité restent raisonnables. »
De la photosynthèse artificielle
Le coût de l’électricité reste le nerf de la guerre. Mais peut-on se passer de celle-ci ? C’est l’idée derrière les carburants solaires. « Ces technologies encore plus en rupture répondent toujours au même principe : on transforme de l’eau et du CO2 en hydrocarbures via des cellules photoélectrocatalytiques, en utilisant directement la lumière du soleil. On appelle cela la photosynthèse artificielle », résume Claire Gauthier. Des travaux que mène Marc Robert, professeur à l’Institut parisien de chimie moléculaire (Sorbonne Université - CNRS) : « Nous développons une photo-électrode, c’est-à-dire une électrode sensible à la lumière. Cette technologie a la particularité d’être fabriquée sur un support transparent. Ainsi, la lumière peut arriver par la face arrière et être absorbée par le matériau de l’électrode pour fabriquer des électrons, et donc un peu d’électricité. »
Les électrons sont ensuite utilisés sur la face avant du matériau en contact avec une solution contenant le CO2 que l’on souhaite transformer en carburant, le tout avec une efficacité dix fois supérieure aux résultats des performances des photo-électrodes publiés jusqu’ici. Cette technologie évite tout contact entre le catalyseur et la lumière. « Il ne peut donc pas en absorber une partie, comme c’est généralement le cas, et on ne perd pas de lumière. Autre écueil évité : la dégradation induite par l’exposition à la lumière du catalyseur », détaille le chercheur. Pour parvenir à ce résultat, Marc Robert et son équipe ont réussi à faire pousser des cristaux d’un matériau photovoltaïque connu, la chalcopyrite, sur un support transparent et à fonctionnaliser l’avant avec les bons catalyseurs pour réduire
le CO2. « Nous avons montré que certains catalyseurs pouvaient transformer directement le CO2 en méthanol, voire en éthanol. Ils ne sont pas encore sortis du laboratoire, mais des preuves de concept ont été établies. »
L’avantage de cette techno est d’utiliser une source d’énergie inépuisable et gratuite. « Mais elle est intermittente. Elle n’aura donc pas les mêmes applications qu’un électrolyseur à CO2 à l’échelle du mégawatt », commente Marc Robert, qui évoque par exemple des dispositifs d’autoconsommation. « Il existe aussi des fermes solaires capables de concentrer fortement la lumière, permettant ainsi de produire de plus grandes quantités de carburants. » Si, pour le moment, l’ensemble est encore à un TRL très bas, ce type de technologie, « potentiellement déployable à grande échelle », pourrait faire partie du portefeuille de solutions à l’horizon 2050.
Trois start-up qui proposent déjà des solutions innovantes
Aerleum combine captage et conversion
Lauréate en septembre 2024 du concours I-Lab organisé par le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche avec Bpifrance, la start-up Aerleum a l’ambition de produire des e-carburants à partir du CO2 atmosphérique. Pour réduire les coûts liés à la production de ces carburants, Steven Bardey et Sébastien Fiedorow, les deux fondateurs, ont eu l’idée de combiner le captage et la conversion afin de supprimer certaines étapes du procédé classique, comme la désorption. Ils ont ainsi mis au point un matériau bi-fonctionnel qui capte le CO2 atmosphérique et le transforme en e-méthanol grâce à l’injection d’hydrogène vert. Au final, l’efficacité énergétique du procédé est 30 à 40 % supérieure à celle des procédés classiques. Aerleum espère pouvoir construire sa première usine de démonstration en 2028.
Spin-off de l’université de Sherbrooke lancée en 2024, la start-up SecantFuel a un objectif : parvenir à se passer de l’étape d’électrolyse pour produire un syngas, facile à transformer par la suite en e-carburant. « Nous utilisons un réacteur classique du monde pétrochimique, appelé réacteur à lit fixe. Nous l’avons électrifié et y avons mis un catalyseur que nous avons développé. Celui-ci transforme directement l’eau et le CO2 qu’on y injecte, sans avoir besoin d’apport d’hydrogène, pour obtenir du gaz de synthèse, ou syngas, facilement valorisable sous forme d’e-carburant », détaille Bruna Rêgo de Vasconcelos, la directrice technique de la start-up. Pour valider et dérisquer sa technologie à une échelle pré-industrielle, SecantFuel est en train de construire sa première unité pilote à Lac-Mégantic, au Canada. Elle devrait produire environ 6 tonnes de syngas par an à partir d’environ 14 tonnes de CO2. « En parallèle, précise la directrice technique, nous travaillons sur une unité dix fois plus grande qui devrait démarrer fin 2026. »
Spark e-Fuels améliore la réaction du gaz à l’eau inverse
Start-up allemande fondée en 2021, Spark e-Fuels a réussi à améliorer la réaction du gaz à l’eau inverse. Sa version fonctionne en dessous de 700 °C (contre 900 à 1 000 °C pour la réaction conventionnelle). D’où une utilisation de matériaux plus simples et des taux de conversion supérieurs à 95 % (contre 50 à 60 %). « Elle supporte aussi des variations importantes de flux de CO2 et H2, ce qui lui permet d’être directement reliée à une production d’énergie intermittente et de se passer du stockage d’énergie », indique Mathias Bösl, son PDG et cofondateur. Les hydrocarbures sont ensuite produits grâce au procédé Fischer-Tropsch, lui aussi amélioré. La jeune pousse prévoit la mise en service de son unité pilote entre la fin de l’année et le début de l’année prochaine. Sa première unité commerciale, prévue pour être opérationnelle en 2029, devrait atteindre le millier de tonnes.
