Une nouvelle technologie transforme les eaux usées en carburant d'aviation durable avec un potentiel de réduction des émissions de 70 %
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Fabriqué à partir de matières renouvelables comme la biomasse et les déchets agricoles, le carburant d’aviation durable a un énorme potentiel pour décarboner l’industrie aéronautique. Mais son adoption à grande échelle n’a pas encore décollé.
Le carburant d'aviation durable ( SAF: Sustainable aviation fuel) représente moins de 1 % du carburant utilisé dans l'industrie aéronautique, alors qu'il contribue à environ 3 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES). La production de SAF plus économe en énergie, moins cher et plus compétitif que le carburant d'aviation d'origine fossile est essentiel pour une utilisation commerciale généralisée.
Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du ministère américain de l'Énergie (DOE) ont mis au point une nouvelle technologie permettant de créer un SAF à prix compétitif qui pourrait réduire les émissions de GES dans l'industrie aéronautique jusqu'à 70 %. Le cycle de vie et les modèles technico-économiques d'Argonne ont été utilisés pour analyser les impacts environnementaux et la viabilité économique du SAF.
« La conception d’une technologie assistée par membrane qui permet de réduire de 70 % les émissions de gaz à effet de serre à un coût comparable à celui du kérosène classique constitue une avancée significative. » — Haoran Wu, chercheur postdoctoral à Argonne
De nouvelles recherches montrent que la nouvelle technologie de digestion anaérobie avec arrêt du méthane ( MAAD : methane arrested anaerobic digestion) convertit les eaux usées organiques à haute concentration en acides gras volatils, qui peuvent être transformés en SAF . En tant que précurseurs clés de la production de SAF, les acides gras volatils peuvent jouer un rôle essentiel dans la décarbonisation de l'industrie aéronautique, a déclaré Haoran Wu, chercheur postdoctoral à Argonne.
« Les acides gras volatils provenant des flux de déchets peuvent rendre la production de biocarburants plus rentable et durable », précise Haoran Wu.« La nouvelle technologie d'Argonne utilise un bioréacteur assisté par membrane pour améliorer la production d'acides gras volatils. »
La recherche fait progresser les objectifs décrits dans le Sustainable Aviation Fuel Grand Challenge du DOE , qui vise à augmenter la production de SAF à trois milliards de gallons d’ici 2030. L’objectif est de produire suffisamment de carburant pour répondre à 100 % de la demande de kérosène commercial d’ici 2050.
Conversion des flux de déchets en biocarburant
Les biocarburants sont très demandés pour décarboner les secteurs difficiles à électrifier comme l’aviation. La conversion de la biomasse en biocarburant est un processus complexe impliquant des variables dans les matières organiques utilisées comme matière première, ainsi que des technologies de conversion, de séparation et de purification pour répondre aux spécifications du carburant.
Au lieu de recourir à des ressources plus conventionnelles comme les graisses, les huiles et les graisses, les scientifiques ont utilisé les eaux usées riches en carbone des brasseries et des fermes laitières comme matière première pour leur technologie innovante. Cette technologie permet d'éliminer le carbone organique de ces flux de déchets très concentrés, qui sont autrement difficiles à traiter de manière rentable.
« Les deux flux d’eaux usées sont riches en matières organiques et leur traitement à l’aide de méthodes traditionnelles de traitement des eaux usées est très gourmand en carbone », a déclaré l’auteur de l’étude, Taemin Kim, analyste des systèmes énergétiques à Argonne.« En utilisant notre technologie, nous ne traitons pas seulement ces flux de déchets, mais nous produisons également un carburant durable à faible teneur en carbone pour l'industrie aéronautique. »
La technologie d’Argonne ouvre également de nouvelles perspectives dans la conversion de ces flux de déchets en SAF.
La digestion anaérobie est une technologie éprouvée pour convertir la biomasse en méthane puis en biocarburant. Développée par Meltem Urgun Demirtas, responsable du département Matériaux et procédés durables chez Argonne, la technologie MAAD se concentre plutôt sur la production d'acides gras volatils (comme l'acide butyrique) et d'acide lactique.
Cependant, les acides lactiques limitent la production de SAF à partir d'acides gras volatils. La technologie Argonne MAAD surmonte cette limitation pour augmenter le rendement en acides gras volatils.
« L'acide lactique diminue l'efficacité du carbone lors de la conversion des acides gras volatils en SAF », souligne Haoran Wu.« Il est donc essentiel de déplacer la conversion de l’acide lactique vers la production d’acides gras volatils. »
Dans une autre innovation, les scientifiques ont développé une méthode de séparation électrochimique pour améliorer la technologie MAAD assistée par membrane.
« Nous avons développé un processus de récupération de produit in situ pour augmenter le temps de rétention dans les digesteurs assistés par membrane, ce qui a permis de créer des communautés microbiennes résilientes avec d'abondants producteurs d'acide butyrique et d'augmenter la productivité et la concentration d'acide, diminuant ainsi le coût de production d'acide et la toxicité de l'acide », a déclaré Urgun Demirtas, chercheur principal de la recherche.
Analyser les impacts économiques et environnementaux
Grâce aux données expérimentales, les scientifiques ont utilisé les outils avancés de simulation et de modélisation d'Argonne pour concevoir trois voies possibles de conversion des déchets en SAF et les ont comparées au carburéacteur conventionnel produit à partir de combustible fossile.
À l'aide des modèles de processus, les scientifiques ont procédé à une analyse technico-économique et du cycle de vie des filières. L'analyse du cycle de vie a été réalisée à l'aide du modèle R & D Greenhouse gas, Regulated Emissions, and Energy use in Technologies ( R & D GREET ) d'Argonne pour évaluer les impacts des GES de la production à l'utilisation finale.
Les scientifiques affirment que la voie de la transformation des déchets en carburant aéronautique réduit considérablement les émissions de carbone par rapport au carburant aéronautique classique. L'étude élargit également l'utilisation de déchets moins utilisés à un moment où la demande de matières premières biologiques typiques pour le SAF entraîne une pénurie.
Bien que les recherches se poursuivent, les scientifiques espèrent commercialiser le procédé en instance de brevet et étendre la technologie à une utilisation généralisée.
« La conception d’une technologie assistée par membrane qui permet une réduction de 70 % des gaz à effet de serre à un coût comparable à celui du kérosène conventionnel constitue une avancée significative », a déclaré Haoran Wu.« Nous continuerons à travailler pour améliorer la durabilité et commencerons à explorer d’autres matières premières à utiliser avec notre technologie. »