C’est au cœur du plateau de Saclay, dans le laboratoire EM2C de CentraleSupélec, que la start-up Spark Cleantech a décidé de développer sa technologie unique de plasma froid nanopulsé destiné à la plasmalyse du méthane. La raison en est simple : le co-fondateur et directeur technique de la start-up, Erwan Pannier, diplômé de CentraleSupélec en 2014, y a par la suite fait sa thèse avec Christophe Laux, l’inventeur du plasma froid nanopulsé. C’est donc tout naturellement qu’il y a conçu le projet de recherche précurseur de Spark, une fois sa thèse soutenue. « Cet endroit regroupe par ailleurs une dizaine de laboratoires plasma avec un certain nombre de technologies différentes, des plasmas générés par micro-ondes aux plasmas radiofréquences », indique-t-il.
C’est dans l’une des salles mises à disposition de la start-up qu’a été conçue la première cellule de plasma froid nanopulsé pour la plasmalyse du méthane, soutenue par un financement de la SATT Paris-Saclay. « À l'origine, ce type de plasma avait plutôt des applications dans la médecine, mais j’ai eu l’idée d'utiliser cette technique pour casser des molécules, d’abord de CO2, puis de méthane », précise le spécialiste. Une cellule qui est le résultat de deux ans de développement, et répond à trois choix technologiques de la start-up : le contrôle de la température, le couplage direct avec le méthane et la capacité d’opérer à pression atmosphérique (donc industrielle).
Un plasma hors équilibre
Le contrôle de la température est rendu possible grâce au contrôle nanoseconde, explique Erwan Pannier en présentant la cellule historique de Spark Cleantech en cours de fonctionnement : « plusieurs dizaines de milliers de fois par seconde, on envoie un arc électrique de très haute tension, ce qui injecte l’énergie dans le méthane. Sur ces temps extrêmement courts, la molécule a le temps de vibrer et de se déstabiliser, donc de se casser mais ce n’est pas suffisant pour lui permettre de bouger, et donc de chauffer, puisque la chaleur n’est jamais que l’agitation des molécules ». Au bout du compte, on obtient un plasma hors équilibre, c'est-à-dire plus énergétique que sa température (qui n’est que de quelques centaines de degrés), et capable de fonctionner à pression atmosphérique.
Enfin, cette technologie fonctionne en couplage avec du méthane pur, et non dilué avec de l’hydrogène - ce qui se fait classiquement pour éviter une dégradation excessive des électrodes par exemple dans le cas des plasmas thermiques, et de dépôt trop important de carbone solide sur les parois de la cellule. Cela a nécessité un certain nombre de développement puisqu' « il nous a fallu un an de travail pour passer de 10 secondes à une minute d’opération, puis à 10 minutes, 40 minutes et enfin une heure d’opération en continu avant que le système ne court-circuite », détaille Erwan Pannier, ajoutant, sans rentrer dans les détails, qu’ils ont parallèlement mis au point un moyen de régénérer le système en une minute. « À partir de là, nous pouvons envisager un fonctionnement industriel avec une cellule qui alterne une heure de fonctionnement et une minute de régénération ».
Rendre accessible la décarbonation
Outre l’hydrogène, la réaction permet donc d'obtenir du carbone solide, ou noir de carbone, un produit directement valorisable dans l’industrie du pneu, des plastiques ou des encres par exemple. « Cela permet de réduire la facture de l’hydrogène et donc de rendre accessible économiquement la décarbonation », pour Patrick Peters, CEO et co-fondateur, également présent. D’autant que le procédé utilise 5 fois moins d’énergie que la production d’hydrogène par l'électrolyse de l’eau.
La question qui se pose maintenant pour la start-up est celle du passage à l’échelle, c’est-à-dire passer de cette cellule de 1 kW de puissance, à 1 MW par jour. « Nous avons une double stratégie, qui est d’une part un scale-up vertical consistant à augmenter les tailles de cellule, mais aussi d’augmenter la partie de puissance pulsée pour aller chercher quelques dizaines de kW », commente le co-fondateur. Pour l’instant, SparkCleanTech est parvenu à atteindre 5 kW et travaille sur la construction de son premier démonstrateur qui intégrera 5 de ces cellules. En espérant atteindre, pour le lancement de son premier produit commercial en 2026, les 200kW et la production de 200 kg d’hydrogène par jour, pour 600 kg de noir de carbone.
