Avec la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone comme seuls intrants, cette tour solaire située en Espagne produit du carburant pour avion et du diesel neutres en carbone.
Avec pour seuls intrants le dioxyde de carbone, l’eau et la lumière du soleil, cette tour solaire thermique située en Espagne produit des versions durables et neutres en carbone du diesel et du carburant pour avion. Construite et testée par des chercheurs de l’ETH Zurich, c’est un projet prometteur de carburant propre.
Pourquoi avons-nous besoin de carburant aviation durable (SAF : Sustainable Aviation Fuel) ?
Les carburants fossiles peuvent être remplacés par des batteries ou de l’hydrogène dans les voitures et les camions, mais les avions sont plus délicats. Avec plus de 25 000 avions de ligne en service aujourd’hui et une durée de vie d’environ 25 ans, les compagnies aériennes se tournent vers des carburants neutres en carbone pour réduire leurs émissions. Il s’agit d’une étape transitoire, mais importante jusqu’à ce que la technologie de l’aviation propre soit prête et que l’ensemble de la flotte mondiale puisse être convertie à autre chose.
Les carburants neutres en carbone remplacent le kérosène Jet-A d’aujourd’hui ; ils se mélangent au carburant ordinaire et sont brûlés dans les moteurs à réaction comme d’habitude, produisant la quantité normale d’émissions de carbone. La différence est qu’au lieu d’extraire le carbone directement du sol, les carburants neutres en carbone captent le CO2 ailleurs ; il finira quand même dans l’atmosphère, mais au moins il fait un travail utile avant d’y arriver, et chaque litre brûlé est un litre de carburant conventionnel qui n’a pas été brûlé.
Comment le SAF est-il fabriqué actuellement ?
Il existe de nombreuses façons de fabriquer des carburants neutres en carbone – et toutes ne sont pas acceptables pour d’autres raisons. Les biocarburants produits à partir de maïs spécialement cultivé, par exemple, génèrent leurs propres émissions, provenant des engrais et des équipements agricoles, et ils utilisent des terres qui pourraient autrement servir à la production de nourriture. L’abattage des forêts et l’utilisation du bois comme biomasse sont également à proscrire, pour des raisons qui devraient être évidentes, mais le fait qu’il existe des règles à ce sujet suggère que même dans le jeu de la durabilité, il existe encore des opérateurs de mauvaise foi.
On voit apparaître ici et là des usines de transformation des déchets en carburant pour moteur à réaction, qui utilisent les ordures ménagères ou les vieilles huiles de cuisson comme matière première pour créer du gaz de synthèse, lequel peut être raffiné en carburants synthétiques. Mais le processus de pyrolyse généralement utilisé nécessite beaucoup d’énergie – qu’il s’agisse d’énergie sale ou d’énergie propre qui pourrait être utilisée ailleurs – et la matière première est si aléatoire que les carburants obtenus nécessitent parfois une étape de nettoyage supplémentaire à forte intensité énergétique avant d’être prêts à sauver la planète dans un Dreamliner.
Une autre solution consiste à capturer le carbone directement à partir d’autres sources d’émissions et à le convertir en carburant. Cela peut se faire en utilisant de l’électricité verte pour alimenter un électrolyseur, puis en mélangeant l’hydrogène obtenu avec du monoxyde de carbone pour créer du gaz de synthèse, qui peut ensuite être raffiné en carburant – mais il y a des pertes d’énergie à chacune de ces étapes.
Ce qui nous amène à cette nouvelle conception beaucoup plus simple de l’ETH Zurich, qui a été construite et testée à l’Institut de l’énergie IMDEA en Espagne.
Le réacteur pilote de 50 kW, installé en Espagne, utilise la chaleur d’une tour solaire à concentration pour alimenter un cycle redox thermochimique.
La tour à combustible neutre en carbone tout-en-un de l’ETH Zurich
Cette installation pilote fonctionne grâce à l’énergie solaire thermique à concentration. Cent soixante-neuf panneaux réflecteurs orientés vers le soleil, présentant chacun une surface de trois mètres carrés, redirigent la lumière du soleil vers un trou de 16 cm dans le réacteur solaire situé au sommet de la tour centrale de 15 m de haut. Ce réacteur reçoit en moyenne l’équivalent de 2 500 soleils d’énergie, soit environ 50 kW d’énergie thermique solaire.
Cette chaleur est utilisée pour alimenter un cycle d’oxydoréduction thermochimique en deux étapes. L’eau et le dioxyde de carbone pur sont introduits dans une réaction d’oxydoréduction à base d’oxyde de cérium, qui les convertit simultanément en hydrogène et en monoxyde de carbone, ou gaz de synthèse. Comme tout se passe dans une seule chambre, il est possible de modifier les taux d’eau et de CO2 pour gérer en direct la composition exacte du gaz de synthèse.
Ce gaz de synthèse est acheminé vers une unité GtL (Gas-to-Liquid) au bas de la tour, qui a produit une phase liquide contenant 16 % de kérosène et 40 % de diesel, ainsi qu’une phase cireuse contenant 7 % de kérosène et 40 % de diesel – prouvant ainsi que le réacteur solaire à base d’oxyde de cérium produit un gaz de synthèse suffisamment pur pour être converti en carburants synthétiques.
Schéma du réacteur solaire permettant de séparer l’eau et le dioxyde de carbone grâce au cycle thermochimique redox à base d’oxyde de cérium.
Quelle quantité de carburant cela produit-il ?
C’est la grande question, vraiment, et je crains que le document de recherche ne rende pas cette information facile à deviner. Au total, les chercheurs ont fait fonctionner le système pendant neuf jours, à raison de six à huit cycles par jour, si le temps le permet. Chaque cycle a duré en moyenne 53 minutes, et la durée totale de l’expérience a été de 55 heures. Plusieurs cycles ont dû être interrompus en raison d’une surchauffe, lorsque la température dans le réacteur a dépassé les 1 450 °C visés pour atteindre une température critique de 1 500 °C.
Au total, l’installation pilote expérimentale a produit environ 5 191 litres de gaz de synthèse au cours de ces neuf jours, mais les chercheurs n’indiquent pas exactement la quantité de kérosène et de diesel qui a été obtenue après le traitement du gaz de synthèse. Même si nous le pouvions, il se peut qu’elle ne s’étende pas de manière linéaire.
Mais pour vous donner une idée de l’ampleur du problème, sachez qu’un Boeing 787 Dreamliner a une capacité de carburant allant jusqu’à 126 372 litres, ce qui lui permet de voler jusqu’à 14 140 km, soit à peu près la distance entre New York et Ho Chi Minh Ville. Et il existe des dizaines de milliers d’avions commerciaux qui effectuent plusieurs missions par jour.
Mais ces appareils ne doivent pas nécessairement remplacer tout le carburant en question – le carburant synthétique peut être mélangé au carburant ordinaire dans les quantités disponibles, et chaque bit contribue à réduire les émissions globales.
Et maintenant ?
Selon l’équipe, l’efficacité globale du système (mesurée par le contenu énergétique du gaz de synthèse en pourcentage de l’apport total d’énergie solaire) n’était que d’environ 4 % dans cette mise en œuvre, mais elle entrevoit des moyens de faire passer ce chiffre à plus de 20 % en récupérant et en recyclant davantage de chaleur et en modifiant la structure de l’oxyde de cérium.
« Nous sommes les premiers à démontrer la chaîne complète du processus thermochimique, de l’eau et du CO2 au kérosène, dans un système de tour solaire entièrement intégré », a déclaré le professeur Aldo Steinfeld de l’ETH, auteur correspondant de l’article de recherche. « Cette usine de carburant à tour solaire a été exploitée avec une configuration pertinente pour une mise en œuvre industrielle, posant un jalon technologique vers la production de carburants d’aviation durables. »
« L’usine de carburant à tour solaire décrite ici représente une voie viable pour la mise en œuvre à l’échelle mondiale de la production de carburant solaire », peut-on lire dans l’étude.
https://www.scimex.org/newsfeed/an-all-in-one-solar-powered-tower-makes-carbon-neutral-jet-fuel
