Et s’il était possible de produire des carburants sans avoir recours à de la biomasse ? Et sans électricité ? Juste avec la lumière du soleil, du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau captés dans l’air ? Synhelion y croit. Cette start-up issue de l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETHZ) a été fondée en 2016 pour commercialiser la technologie développée dans le cadre du projet européen Sun-to-liquid, successeur du projet Solar Jet. «La faisabilité a été démontrée et nous sommes en train de passer àl’échelle industrielle », précise Carmen Murer, la responsable de la communication chez Synhelion.
L’approche semble révolutionnaire. Et pourtant, elle est prise au sérieux. «Je trouve cela magnifique et je le suis de très près », admet Nicolas Jeuland, expert en carburants du futur chez Safran, qui a eu l’occasion de visiter les installations expérimentales du projet en Suisse et en Espagne. Synhelion travaille déjà avec l’italien Eni pour développer son réacteur. Des compagnies aériennes et des aéroports sont également intéressés. Au printemps dernier, celui de Zurich a fait part de son souhait d’acheter les carburants solaires qui seront produits par le futur site pilote de Synhelion pour alimenter ses véhicules au sol pendant dix ans. Lufthansa et deux de ses filiales (Edelweiss Air et Swiss) ont aussi déclaré vouloir collaborer avec l’entreprise suisse.
Une réaction à 1 500 °C
La technologie repose sur un cycle thermochimique en deux étapes. Lors d’une première phase de chauffage, des miroirs mobiles concentrent la lumière du soleil au niveau d’un récepteur qui accumule de la chaleur pour faire monter la température à 1 500 °C dans un réacteur. De quoi réduire l’oxyde métallique – ici de l’oxyde de cérium – qui recouvre ses parois internes. Ce matériau perd ainsi une partie de son oxygène, qui est alors extrait. Lors d’une deuxième phase, l’oxyde de cérium réduit est mis au contact d’un mélange gazeux contenant du CO2 et de la vapeur d’eau : le matériau réduit leur arrache un atome d’oxygène pour retrouver son état initial, créant un mélange de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène (H2). Ce gaz de synthèse n’a ensuite plus qu’à être utilisé dans la réaction bien connue de Fischer-Tropsch pour produire différents carburants synthétiques comme du diesel ou du kérosène.
Un des points forts de cette technologie par rapport aux biocarburants est qu’elle ne nécessite pas de terres arables. « Nous pouvons l’installer dans des déserts, là où les radiations solaires sont importantes », insiste Carmen Murer. Mais aussi, là où les surfaces disponibles sont importantes. Car il en faut, notamment pour les miroirs de concentration solaire : produire 300 millions de tonnes de kérosène d’origine solaire par an – l’équivalent de la consommation annuelle mondiale de l’aviation – nécessiterait environ 50 000 km2, indique l’entreprise, soit un peu plus que le territoire suisse. Les déserts étant des endroits arides, les besoins en eau doivent aussi être faibles. Les besoins directs sur site sont de 7,4 litres d’eau pour produire 1 litre de carburant synthétique, précise Andreas Sizmann, le responsable des activités liées aux futures technologies et à l’aviation propre à l’institut Bauhaus Luftfahrt, qui a coordonné le projet Sun-to-liquid. Les besoins indirects, pour extraire le minerai d’oxyde de cérium, construire l’infrastructure de concentration solaire et nettoyer les miroirs, s’élèvent, quant à eux, à 42,4 litres d’eau par litre de carburant. « Ils pourraient être réduits en recyclant l’eau, et sont bien inférieurs aux milliers de litres d’eau nécessaires pour produire un litre de biocarburant. »
Après des expériences en laboratoire et sur le toit de l’ETHZ, des tests à plus grande échelle ont été effectués par l’Institut Imdea Energy, à Móstoles, près de Madrid. Mais Synhelion ne compte pas s’arrêter là. Alors que le réacteur testé à Madrid ne faisait que 50 kilowatts (kW), l’entreprise en a construit un nouveau de 250 kW. Le récepteur de lumière a été testé en début d’année grâce à l’installation Synlight de l’Agence spatiale allemande (DLR) à Juliers (Allemagne) – le « soleil artificiel » le plus puissant du monde. Le dispositif complet, avec le réacteur, sera testé non loin de là, en haut de la tour de la centrale solaire à concentration de la DLR. « Il s’agira d’une échelle presque industrielle, affirme Carmen Murer. Les tests auraient dû débuter cet été, mais ils ont été repoussés au printemps prochain en raison de la crise sanitaire due au Covid-19. »
Un premier site pilote en 2023
La suite est déjà toute tracée. Synhelion a prévu de construire son propre site pilote d’ici à 2023, capable de produire quelques centaines de litres par jour de carburant solaire. La première installation commerciale est prévue en 2025 : 8 000 m2 pour une capacité de 1 500 tonnes par an. D’ici à 2030, l’entreprise espère se développer, construire d’autres centrales, plus grosses, pour atteindre une capacité d’environ 1 million de tonnes par an, à un prix de 1 euro le litre. Dans un premier temps, les sites n’utiliseront pas uniquement le CO2 et l’eau contenus dans l’air. Une étape intermédiaire prévoit d’ajouter du méthane en entrée. De quoi réduire la température nécessaire entre 800 et 1 200 °C, au lieu de 1 500 °C, selon Synhelion. «Enregardant l’analyse globale du cycle de vie, le carburant produit émet tout de même 50 % de CO2 en moins par rapport à des carburants fossiles », insiste Carmen Murer. Cette solution sera exploitée sur les premiers sites d’ici à 2030. Ce n’est qu’ensuite que la voie avec uniquement du CO2 et de l’eau en entrée sera envisagée à l’échelle commerciale.
Récupérer la chaleur perdue
Quant au site espagnol près de Madrid, son travail n’est pas terminé. Les chercheurs ont plusieurs idées en tête pour améliorer leur procédé. «Noussommes à la recherche de financements pour poursuivre, souligne Andreas Sizmann. La prochaine étape sera d’améliorer l’efficacité du réacteur et de mieux récupérer la chaleur. » Pour gagner en efficacité, l’ETHZ aimerait tester à Madrid un réacteur aux parois imprimées en 3D, avec une géométrie et une porosité optimisées pour avoir une bonne pénétration de la chaleur au cœur du matériau et une large surface de contact avec le gaz. « L’objectif sera de fabriquer des réacteurs de 4 kW pour l’échelle laboratoire et de 50 kW pour le site de Madrid », souligne Andreas Sizmann. Concernant la récupération de chaleur, l’idée est de stocker celle qui est aujourd’hui perdue une fois que le réacteur a été porté à 1 500 °C et qu’il se refroidit lorsque l’oxyde de cérium réduit arrache l’oxygène de l’eau et du CO2 pour former le gaz de synthèse. « Si nous parvenons à stocker cette chaleur dans un matériau solide pour la réinjecter dans le réacteur lors du cycle suivant, le procédé sera bien plus efficace », précise Andreas Sizmann. De quoi réduire la taille de la centrale à concentration solaire et pousser encore plus loin le minimalisme de cette technologie prometteuse.
Les cimentiers attirés par les fortes chaleurs
La technologie développée par Synhelion pour ses carburants solaires intéresse également les cimentiers. Et plus particulièrement la chaleur extrême issue de la concentration du rayonnement solaire. La start-up suisse a annoncé le 30 septembre travailler avec Cemex, un fabricant mexicain de matériaux de construction. Une installation pilote est prévue sur une cimenterie de ce dernier d’ici à la fin de l’année 2022.
Nécessitant des températures de plus de 1 000 °C, la fabrication du clinker, un composé de base de ciment, consiste en une réaction de décarbonatation du calcaire : le carbonate de calcium (CaCO3) devient de l’oxyde de calcium (CaO) en perdant une molécule de dioxyde de carbone (CO2). Cette étape est responsable des fortes émissions de CO2 de la cimenterie, l’une des industries qui en émet le plus, avec la sidérurgie et la chimie. Deux tiers des émissions sont dus à la réaction elle-même et un tiers à la combustion de ressources fossiles nécessaires à l’obtention des hautes températures. Les cimentiers essaient de remplacer le charbon traditionnellement utilisé par de la biomasse, mais celle-ci offre des caractéristiques de flamme insuffisantes.
Synhelion fait la différence. Avec son récepteur de chaleur de 250 kW, l’entreprise a atteint une température de 1 550 °C. C’est 350 °C de plus que n’importe quel récepteur jamais construit, et 550 °C de plus que n’importe quel récepteur construit à cette taille, assure l’entreprise. Quant au CO2émis lors de la réaction de décarbonatation, il pourrait être capté et servir à une centrale solaire à proximité, comme fluide caloporteur, voire comme matière première pour fabriquer des carburants. Une solution discutable, toutefois, dans la mesure où, une fois le carburant brûlé, le CO2 finirait inévitablement sa course dans l’atmosphère.
