Le CO2 peut devenir une ressource précieuse
Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer (PSI) montrent que l'électrolyse du CO2 peut être rentable et contribuer à la protection du climat. Ce procédé consiste à capter le dioxyde de carbone dans l'atmosphère ou sur son lieu de production, par exemple lors d'une production industrielle. Il est ensuite transformé par une cellule d'électrolyse, ce qui le rend utilisable par l'industrie chimique.
L'un des plus grands défis de notre époque est de réduire la concentration de dioxyde de carbone (CO2) et d'autres gaz à effet de serre dans l'atmosphère. C'est la seule façon d'arrêter le changement climatique. Pour cela, il ne suffit pas de réduire rapidement les émissions de l'industrie, des transports et des ménages. Pour atteindre à temps les objectifs climatiques fixés - comme le montrent de nombreuses analyses -, nous devons en outre injecter activement du CO2 ou le capturer à la source pour le rendre inoffensif.
Une question importante est de savoir ce qu'il advient alors de ce gaz à effet de serre. Une possibilité consiste à l'enfermer pour ainsi dire. C'est ce que l'on fait déjà dans les projets CCS (Carbon Capture and Storage) et le CO2 dans des réservoirs souterrains tels que des gisements de gaz naturel ou de sel vidés. L'autre option est de stocker le CO2 comme matière première - appelé CCU (Carbon Capture and Utilization). Il peut soit servir directement d'agent extincteur, de réfrigérant ou d'engrais. Il est toutefois plus intéressant de l'utiliser comme matière première pour d'autres produits.
Des études antérieures menées notamment par le PSI ont montré que le monoxyde de carbone (CO) et l'acide formique (HCOOH) sont des produits particulièrement prometteurs, car ils sont assez faciles à produire à partir du dioxyde de carbone : avec de l'eau, par électrolyse. L'acide formique sert par exemple d'antirhumatismal en médecine ou de produit de décapage et d'imprégnation dans l'industrie du textile et du cuir. Le monoxyde de carbone est par exemple utilisé comme agent réducteur lors de la fusion des minerais - mais il peut surtout être utilisé avec de l'hydrogène pour produire des carburants synthétiques. Et ces derniers sont considérés comme très prometteurs, car ils peuvent remplacer le diesel, l'essence et le kérosène issus de sources fossiles et sont neutres en termes de CO2-sont neutres.
Le PSI fait beaucoup de recherche dans ce domaine : en collaboration avec l'Empa, l'Institut de recherche sur les matériaux et la technologie du domaine des EPF, l'institut a lancé au début de cette année l'initiative SynFuels, qui est soutenue par le Conseil des EPF. En outre, le PSI a été le chef de file du Centre de compétences de la Confédération pour la recherche sur le stockage de l'électricité et de la chaleur (SCCER Heat and Electricity Storage). Ces deux initiatives ont rendu possible la recherche de l'étude actuelle.
Dans le cadre de cette étude, les chercheurs du PSI, en collaboration avec des collègues internationaux, ont maintenant examiné si l'électrolyse du CO2 en CO ou HCOOH peut être exploitée de manière économiquement rentable et si elle produit plus de CO2 qu'elle n'en produit par ses propres besoins énergétiques. En d'autres termes, le procédé peut-il rapporter de l'argent tout en servant de source de CO2-Comment protéger le climat avec un puits de carbone ?
Simulation de six usines d'électrolyse différentes
Tout d'abord, les chercheurs autour du premier auteur Bernhard Pribyl-Kranewitter - doctorant au laboratoire d'électrochimie du PSI pendant l'étude - ont parcouru la littérature scientifique à la recherche de données sur les systèmes d'électrolyseurs à basse température les plus efficaces pour la production de CO et de HCOOH. "Nous avons sélectionné les quatre meilleurs designs pour la production de monoxyde de carbone - y compris un développement interne breveté du PSI - ainsi que les deux meilleurs designs pour la production d'acide formique", explique Pribyl-Kranewitter. Les chercheurs ont ensuite construit et modélisé virtuellement de grandes installations électrochimiques pour la production des deux produits chimiques pour chacune des architectures cellulaires. "Nous avons utilisé des logiciels de simulation parfois très complexes afin de pouvoir représenter les performances des cellules à l'échelle industrielle de la manière la plus réaliste possible".
Dans leurs simulations, les chercheurs ont envisagé deux scénarios : Le premier se basait sur la technique actuelle et supposait une production de 75 tonnes de CO ou de HCOOH par jour. Le deuxième scénario, optimiste, postule que la technique s'améliorera dans les années à venir et que des progrès seront réalisés au niveau de certains paramètres importants et de la production totale possible. Il simulait 100 tonnes par jour. Les deux scénarios supposent une durée de vie de 25 ans pour les installations.
Le résultat des simulations : L'acide formique peut être produit de manière rentable dans les deux scénarios, dans des cellules dites microfluides. Toutefois, sa production génère plus de CO2 qu'elle n'en consomme. Cela est principalement dû à la consommation d'énergie relativement élevée : l'acide formique se présente sous la forme d'un liquide en solution dans l'eau et doit être séparé par un procédé à forte consommation d'énergie pour pouvoir être utilisé. En même temps, la production nécessite moins de CO2 que pour la même quantité de monoxyde de carbone. Le mix électrique actuel de l'UE, qui repose encore pour plus de la moitié sur des sources d'énergie fossiles, émet 235 grammes de CO2 par kilowattheure. En tant que taxe sur le CO2-La production d'acide formique ne pourrait servir de puits qu'à partir d'une valeur inférieure à 137 grammes par kilowattheure. En d'autres termes, la part des énergies renouvelables doit encore augmenter considérablement avant que l'électrolyse du CO2 à l'acide formique a un effet positif sur le climat.
Le monoxyde de carbone a déjà le potentiel de devenir une source de CO2-la dépression
Pour la production de monoxyde de carbone dans les systèmes de cellules alcalines utilisés à cet effet, une valeur inférieure à 346 grammes par kilowattheure suffit déjà, car le produit se présente sous forme de gaz et peut être facilement séparé. "La production de monoxyde de carbone a donc déjà le potentiel de réduire les émissions de CO2-Thomas Justus Schmidt, chef de projet et responsable du domaine de recherche Energie et environnement au PSI. "Et celui-ci sera encore plus grand si la part des énergies renouvelables dans le mix électrique augmente". Toutefois, dans le scénario de base, aucune architecture de cellule ne permettait de produire du monoxyde de carbone de manière rentable, la cellule d'électrolyse développée au PSI présentant ici le potentiel le plus élevé. En revanche, dans le scénario optimiste, les quatre architectures ont obtenu un résultat positif, et celle du PSI un résultat même meilleur que celui d'une des cellules produisant de l'acide formique. "Même si ces résultats sont déjà positifs, le potentiel économique de notre architecture cellulaire n'est pas encore épuisé", explique Pribyl-Kranewitter. Les chercheurs espèrent en outre que les coûts des catalyseurs et des membranes diminueront.
"Les résultats de l'étude sont très prometteurs", souligne Schmidt. La production de monoxyde de carbone a montré en moyenne une amélioration de 22 pour cent dans le scénario optimiste par rapport à la production d'acide formique. Cela signifie que si la technique continue à se développer et que les prix se réduisent comme prévu, le monoxyde de carbone présente en fin de compte le plus grand potentiel pour une utilisation économique et écologique du dioxyde de carbone. "Sa production peut apporter une contribution importante au tournant énergétique, car il s'agit d'une technologie dite à émissions négatives", explique Schmidt. D'autant que le marché est ici bien plus important que celui de l'acide formique. La production mondiale de CO était de 210 gigatonnes en 2015, celle de HCOOH de seulement 0,76 mégatonne en 2019, soit seulement une fraction. "Nous devrions donc nous concentrer sur le développement de la technologie du CO2-électrolyse pour la production de monoxyde de carbone", recommande Schmidt. "Et poursuivre l'acide formique comme alternative".
