« Parler d'implémentation industrielle de production de carburants solaires est prématuré », avertit Antoine Fécant, lauréat du prix Espoir de l’IMT-Académie des sciences
Le chercheur à l'Ifpen Antoine Fécant a reçu, jeudi 25 novembre, le prix Espoirs de l’Académie des sciences et l’Institut Mines-Télécom (IMT) pour ses travaux sur la production d'hydrocarbure par photo-catalyse. Retour sur un domaine de recherche qui puise son inspiration dans la nature.
Les hydrocarbures solaires auréolés. L’Académie des sciences et l’Institut Mines-Télécom (IMT) ont décerné, jeudi 25 novembre, le prix Espoirs à Antoine Fécant, chimiste très actif dans la photo-catalyse pour carburants solaires. Ce domaine de recherche, encore confidentiel, vise à produire des hydrocarbures grâce aux rayons du soleil. Explications du chercheur de l’IFP Energies Nouvelles, lauréat du prix 2021 d’un montant de 15 000 euros.
Industrie & Technologies : Comment fabriquer un carburant à partir d’énergie solaire ?
Antoine Fécant : Nous nous inspirons de la photosynthèse naturelle ! Les arbres sont en effet pourvus d’un capteur essentiel qui se trouve dans les feuilles : la chlorophylle. Pour résumer, les molécules de chlorophylle permettent de capter les rayons du soleil et de mouvoir les électrons entre les réactifs, que sont la vapeur d’eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2), et les produits, à savoir la cellulose (constitutif de la matière organique) et le dioxygène (O2).
En laboratoire, nous développons un matériau spécifique – le photo-catalyseur – capable de capter des photons du soleil et de faire réagir le CO2 et l’H2O, en lieu et place de la chlorophylle. À l’aide de ce matériau, nous pourrons ainsi utiliser du CO2, de l’eau et des photons pour produire de l’O2 et des hydrocarbures. L’avantage de cette technologie, c'est que nous obtenons un combustible déjà connu, qui ne requiert pas de modification technologique pour nos moteurs ou nos chaudières.
Quel serait le bénéfice climatique associé au carburant solaire, puisque le problème majeur qu'est l’usage des hydrocarbures – fortement émetteur de CO2 – n’est pas résolu ?
Très bonne question ! Un carburant carboné a effectivement vocation à produire du CO2 lors de sa combustion. Mais cette technologie permet de donner une seconde vie au CO2 déjà émis (et donc de limiter nos besoins en fossiles, sans ajouter de CO2 dans l'atmosphère). J’ajouterai que nous pouvons envisager des systèmes fermés (des centrales solaires pour produire de la chaleur ou une force mécanique) qui ne rejetteraient pas le CO2 émis par ces carburants solaires dans l'atmosphère en re-captant directement le CO2 et le réinjectant dans le procédé.
Quel est le principal obstacle auquel vous êtes aujourd'hui confronté ?
L’architecture du photo-catalyseur constitue le premier verrou technologique à faire sauter. Ce n’est pas pour rien que la photosynthèse naturelle est un processus lent, les systèmes sont extrêmement complexes (de type redox membranaires), il y a énormément d’intermédiaires.
Tout l’enjeu, en simplifiant le système, consiste à contraindre la physique. Nous devons en particulier gérer les flux d’espèces réactifs, appelés les « porteurs de charge », qui naissent de l’excitation par les photons. Car ces porteurs se recombinent, re-larguent l’énergie sous forme de chaleur… tout ce qu’on ne veut pas ! Grâce à une architecture du matériau, contrôlée à l’échelle nanométrique, nous devons canaliser et orienter le chemin de ces porteurs de charge vers les réactifs (le CO2 ou l’eau) pour qu’ils fassent leur travail.
De quel type de matériau sera constitué le photo-catalyseur ?
Nous avons déjà des idées : le matériau sera nécessairement « fixé » sur un dispositif pour qu’un flux de CO2 et d’H2O puisse le traverser et conduire à la réaction. Ainsi, le photo-catalyseur sera composé de matériaux semi-conducteurs. Ces derniers ont la capacité de transformer une énergie solaire en une énergie potentielle, les porteurs de charge, qui démarreront ensuite les réactions chimiques.
À quoi ressemblerait une centrale de production de carburant solaire ?
Parler d’une implémentation industrielle est prématurée ! Pour tout vous dire, j’ai commencé mes premiers essais sur les carburants solaires à l’Ifpen à l’aide d’un kit de police criminelle : j’avais acheté de petites lampes UV de différentes longueurs d’onde. Aujourd’hui, nous disposons d’un moyen d’essai robuste composé d’un réacteur – d’environ 20 cm de côté – qui simule les radiations solaires. Cet élément central est contrôlé par une installation de 2 m3, dotée d’une ribambelle de tuyaux et autres connectiques pour gérer la température, la pression, l’arrivée de gaz.
Qu'est-ce qui vous encourage à continuer vos investigations dans ce domaine ?
Le juge de paix de cette technologie, c’est le rendement par unité de surface. Il n’est pas question de recouvrir la surface de la Terre de ce type de dispositifs et qu'ils entrent en compétition avec la biodiversité !
Or, aujourd’hui, nous atteignons un rendement similaire à celui de la photosynthèse naturelle : 1 % de l’énergie lumineuse peut être convertie en énergie chimique. Ce n’était pas le cas il y a dix ans ! C’est un joli premier pas, mais pour que le dispositif puisse être déployé industriellement, nous devons parvenir à un rendement de l’ordre de 10 %.
Que peut-on vous souhaiter à l’avenir ?
La vocation de l’Ifpen est d’aller vers l’implémentation industrielle de ce que nous réalisons à l'échelle du laboratoire. Lancer une startup ou une autre entité, c'est notre objectif. Est-ce que nous atteindrons cette étape dans 6 mois, 5 ans ou 10 ans ? Je ne sais pas. Il y a encore un effort à maintenir pour parvenir à nos fins.
De manière plus personnelle, mon ambition en tant que chercheur est d’essayer de faire au mieux pour aller vers un avenir souhaitable et durable. Mais les problèmes que traversent les sociétés humaines ne pourront pas tous se résoudre grâce à la technologie, qu'il s'agisse de carburants solaires ou d'autres choses. En parallèle des innovations technologiques, une réflexion comportementale (à l’échelle des Etats et individuelle) doit être menée.
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