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Du carbone, du carbone, partout, et le tout dans le mauvais puits de carbone. Avec mes excuses à Samuel Taylor Coleridge, ceci résume le dilemme du carbone : d’une part, nous avons trop de dioxyde de carbone et de méthane provenant de sources de combustibles fossiles dans notre atmosphère. D’un autre côté, nous ne disposons peut-être pas de suffisamment de carbone provenant de sources durables pour abandonner les combustibles fossiles.
Les économies mondiales s’efforcent de se décarboner et de passer à des sources durables d’énergie et de matériaux, l’industrie chimique étant la clé pour relever ce défi. Certains secteurs seront plus difficiles à décarboner que d’autres, et des molécules riches en carbone seront nécessaires à la fois pour permettre la transition vers le zéro émission nette et à plus long terme. Pourtant, le rythme du changement nécessaire, dans chaque pays et dans tous les secteurs, impose de fortes contraintes sur les ressources disponibles.
Ces contraintes créent l’un des principaux défis scientifiques et technologiques auxquels nous sommes confrontés : produire de l’énergie liquide 100 % renouvelable.
Le secteur chimique, par exemple, serait responsable d’environ 5 % du CO2 mondial.2 émissions.1 Pour réduire ce chiffre, elle doit décarboner ses matières premières, ses processus de fabrication de produits chimiques, la fabrication et l’utilisation de ces produits, ainsi que leurs déchets et leur recyclage. Beaucoup d’entre eux sont intrinsèquement riches en carbone et sont souvent énergivores en raison de la chaleur à haute température. Considérées isolément, les matières premières à faible teneur en carbone et les énergies propres sont ici les solutions.
Pourtant, le problème du zéro émission nette et de la décarbonisation est qu’il ne peut pas être réduit aussi simplement ; c'est un problème qui rassemble des facteurs sociaux, écologiques, techniques et économiques dans un système complexe et interdépendant. Cela signifie qu’un secteur individuel, tel que celui des produits chimiques, doit inclure les externalités dans les domaines environnementaux tels que l’utilisation des terres et les ressources en eau, ainsi que les problèmes de chaîne d’approvisionnement, tels que les minéraux essentiels nécessaires aux catalyseurs, et les facteurs sociétaux tels que l’évolution de la demande.
En adoptant une approche systémique du problème, ces contraintes créent ce qui est, à mon avis, l’un des principaux défis scientifiques et technologiques auxquels nous sommes confrontés : produire une énergie liquide 100 % renouvelable qui boucle la boucle de la combustion.
Dans l'air
Prenons l’exemple du carburant aviation. Le carburéacteur est un kérosène hautement raffiné utilisé par les avions équipés de moteurs à turbine à gaz. En 2019, le secteur aéronautique britannique a consommé 12,3 millions de tonnes de carburéacteur, la troisième plus grande utilisation au monde. À long terme, de nouvelles flottes d’avions fonctionnant à l’hydrogène pourraient faire du transport aérien sans carbone une réalité. Mais à court et moyen terme, nos flottes actuelles continueront à fonctionner avec des carburants à base d’hydrocarbures liquides et ceux-ci devront provenir de sources durables.
L’ampleur du défi de la décarbonation est énorme : en 2013, 513 Mt de matières premières fossiles ont été utilisées dans les secteurs chimique et pétrochimique.
Il existe un certain nombre d’options différentes pour remplacer le carburéacteur à base de combustibles fossiles. À première vue, les biocarburants sont prometteurs : diverses voies chimiques et matières premières peuvent convertir la biomasse en carburant, notamment la reformation Fischer-Tropsch du gaz de synthèse, de l'alcool et de l'huile hydrotraitée. Pourtant, produire la biomasse dont ils dépendent pose un problème d’utilisation des terres. Une évaluation récente a révélé que, selon la source de biomasse, il faudrait entre 30 et 68 % des terres agricoles du Royaume-Uni pour cultiver les matières premières nécessaires à la production de ces 12,3 millions de tonnes de carburéacteur.2 Une autre estimation d'une équipe de l'Université de Cambridge suggère que nous aurions besoin de 120 % de la production alimentaire mondiale pour fournir les matières premières nécessaires pour augmenter la production de carburant aéronautique durable jusqu'aux niveaux d'utilisation de combustibles fossiles de 2019. C’est la tension entre alimentation et carburant. L’utilisation de flux de déchets peut atténuer une partie de cette tension, mais ces flux sont généralement très hétérogènes et beaucoup plus difficiles à traiter.
Si la biomasse n’est pas viable comme matière première de carbone, une autre option est la bioproduction. Cependant, les systèmes actuels de bioproduction de produits chimiques reposent principalement sur des substrats contenant du sucre. Encore une fois, ceux-ci dépendent de la biomasse et de la durabilité du substrat, et l'accessibilité financière devient un défi.
Cela illustre la nature du défi systémique. Dans un monde en voie de décarbonisation, le besoin en biomasse dépasse son approvisionnement en raison des pressions concurrentes de l’énergie, des matériaux et d’autres secteurs industriels. Pour l’UE, on estime qu’il existe un écart de 40 à 70 % entre l’offre de biomasse et la demande estimée dans les scénarios climatiques actuels.3 Il n’est pas possible d’importer davantage, de cultiver davantage ou d’exploiter davantage les flux de déchets. De plus, selon son utilisation, la biomasse peut ne pas être durable ni neutre en carbone.
D’où obtenons-nous le carbone pour les carburants et les matériaux, si ce n’est des combustibles fossiles ou de la biomasse ?
Une telle réflexion systémique s’applique également à l’idée d’utiliser l’hydrogène comme carburant d’aviation. Vous pouvez produire de l’hydrogène à partir de l’électrolyse de l’eau en utilisant des énergies renouvelables (hydrogène vert), mais pour produire l’équivalent de 12 Mt de carburant d’aviation, il faudrait 207 à 290 TWh d’électricité.2 – l’année dernière, le Royaume-Uni a généré un peu plus de 325 TWh en 2022 au total. On pourrait utiliser de l’hydrogène bleu issu du reformage à la vapeur du méthane (avec un rendement de 60 à 65 %), mais cela produit aussi du CO.2 qui doit être capturé et stocké. Il faut également tenir compte de la consommation d’eau : pour générer 1 kg d’hydrogène par électrolyse, il faut 10 litres d’eau déminéralisée ; reformage du gaz naturel avec du CO2 la capture nécessite 25 litres. On peut soutenir que l’hydrogène a de meilleurs rôles ailleurs dans le parcours vers la carboneutralité, par exemple dans la décarbonation de l’industrie chimique en tant que source propre (selon la manière dont il est fabriqué) de chaleur à haute température ainsi qu’en tant que réactif clé.
Une boucle carbone fermée
Cela conduit à un problème généralisable : d’où obtenons-nous du carbone pour les carburants et les matériaux, si ce n’est des combustibles fossiles ou de la biomasse ? La réponse est d’utiliser les abondantes sources de carbone C1 qui nous entourent : le CO lui-même.2 et le méthane responsable du réchauffement climatique.
Ceci peut être réalisé en les captant de l’atmosphère ou en interceptant les gaz d’échappement des centrales électriques, des fours à ciment ou d’autres industries. Utiliser du CO concentré2 l'utilisation des conduits de fumée comme matière première pour les combustibles est nettement plus attractive d'un point de vue cinétique ; cependant, il est peu probable que cela contribue à réduire les émissions. Si le carbone présent dans le CO capturé2 a commencé comme combustible fossile ou dans des roches carbonatées, puis le convertir en un carburant qui est ensuite brûlé dans un avion ou un véhicule conduit au même résultat net : une augmentation du stock de carbone dans l'atmosphère. Nous avons simplement prolongé le voyage. Si le CO capturé2 est plutôt utilisé pour fabriquer des plastiques ou des matériaux de construction durables qui sont conservés dans une économie circulaire, ce qui réduirait les émissions, mais nous sommes loin d'une telle situation à l'heure actuelle.
Fixer à moindre coût le carbone de l’atmosphère constitue donc un défi essentiel pour les sciences chimiques du 21e siècle. Cela nous donnerait le point de départ pour des molécules complexes sans qu’il soit nécessaire d’imposer davantage de demandes aux terres agricoles, et permettrait également d’inverser une partie de l’accumulation de CO.2 dans l'atmosphère.
Cependant, c'est aussi très difficile à faire : CO2 est diffus et non réactif dans l’atmosphère, et si nous devons dépenser d’énormes quantités d’énergie à faible teneur en carbone pour conduire ce processus (une estimation est de 1 200 kWh par tonne pour le seul captage), alors cela sera coûteux et irréalisable.4 Toutes les technologies qui pourraient apporter du C1 pour alimenter les filières (voir encadré Les défis chimiques) ont donc un besoin commun d'innovation en catalyse pour améliorer leur efficacité.
Les défis chimiques
Il existe des voies bien établies depuis les sources de C1 jusqu'aux carburants, ainsi que des recherches prometteuses à un stade précoce, telles que de nouvelles stratégies de bioproduction basées sur la bioraffinerie et l'électrobiotechnologie. Dans tous les cas, l’innovation en matière de catalyse, de séparation et de valorisation des composés C1, tels que le méthanol et le formiate, est vitale.
Les voies de synthèse Fischer-Tropsch sont les voies les plus développées vers des carburants liquides qui n'entrent pas en conflit avec l'approvisionnement alimentaire ni ne mettent en danger le climat. Des molécules à longue chaîne, insaturées et aromatiques peuvent être fabriquées de cette manière, mais le processus est gourmand en énergie et en capital et nécessite généralement des étapes de séparation coûteuses. Des catalyseurs au fer favorisés par le sodium et le soufre ont été identifiés et améliorent la sélectivité par rapport aux catalyseurs traditionnels au cobalt ou au fer.5 Il a été démontré que les nanoprismes de carbure de cobalt et les procédés à base d'oxyde-zéolite fournissent des rendements encore plus élevés en oléfines légères C2-C4 souhaitées. Une usine pilote basée sur ce dernier procédé s'est révélée prometteuse, mais la réaction produit toujours un mélange de produits, notamment des déchets de CO.2.6
L'électroréduction du monoxyde de carbone ou du dioxyde de carbone peut être beaucoup plus sélective et efficace, avec des systèmes candidats utilisant des particules de cuivre sur un support de carbone modifié, bien qu'une stabilité améliorée soit requise pour la commercialisation.7,8
Hydrogénation du CO2 au méthanol et au formiate peut être effectué par Cu/ZnO/Al2 Ô3 catalyseurs, Cu/ZnO ou métaux nobles tels que l'indium, l'or, le platine et le palladium.5 Ces composés C1 sont des matières premières chimiques précieuses, peuvent stocker de l’énergie à haute densité et pourraient être utilisés pour produire de l’électricité dans des piles à combustible. Les réactions méthanol-oléfines, utilisant un catalyseur zéolitique, offrent également une voie durable vers les polymères.9
La digestion anaérobie des déchets agricoles produit déjà du biométhane à grande échelle, une matière première qui pourrait être valorisée. Le couplage oxydatif et non oxydant des réactions du méthane est prometteur en utilisant du platine, de l'oxyde de molybdène supporté sur des zéolites, du fer unique intégré dans une matrice de silice ou de l'oxyde de lithium et de magnésium, mais les défis liés à la durée de vie du catalyseur et la nécessité d'éviter une suroxydation en CO2 persister.
L’ampleur du défi de la décarbonation est énorme : en 2013, 513 millions de tonnes de matières premières fossiles ont été utilisées dans les secteurs chimique et pétrochimique.dix La chimie fait partie de la solution, mais nous devons considérer l’ensemble du système : les complexités et les limites de l’établissement de ces nouveaux flux de carbone signifient que des mesures du côté de la demande visant à réduire la consommation sont également nécessaires, tout en améliorant l’efficacité de nos matériaux et de nos ressources. Ce n’est qu’en combinant toutes ces mesures que nous pourrons respecter nos budgets carbone.
Pour la communauté de la chimie, il s’agit d’un appel à adopter les exigences d’innovation de la transition vers le zéro émission nette : prendre l’inutile et le rendre utile.
Les références
1 P. Gabrielli et autres,Une Terre2023, 6682 (DOI : 10.1016/j.oneear.2023.05.006)
2 Carburants d’aviation Net Zero – Exposé politique sur les besoins en ressources et les impacts environnementaux2023, Royal Society, Londres
3 Utilisation de la biomasse dans l’UE dans une économie nette zéro – un changement de cap pour la biomasse de l’UEÉconomie des matériaux, 2021
4 AP Zeng,Biotechnologie. Av.2019, 37508 (DOI : 10.1016/j.biotechadv.2019.01.003)
5 Y Liu, D Deng et X Bao, Chimie2020,62497 (DOI : 10.1016/j.chempr.2020.08.026)
6S Zhao et autres, Carburant2022, 321124124 (DOI:10.1016/j.fuel.2022.124124)
7R Chen et autres, Angew. Chimique. Int. Éd.2020,59154 (DOI : 10.1002/anie.201910662)
8 Et Andréoli, Nat. Catal.2021,48 (DOI : 10.1038/s41929-020-00568-9)
9 P Tian et autres, Catalyse ACS2015,51922 (DOI : 10.1021/acscatal.5b00007)
10 PG Levi et JM Cullen,Environ. Sci. Technologie.2018, 521725 (DOI: 10.1021/acs.est.7b04573)
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