Regroupés au sein du consortium Norsk e-Fuel, quatre partenaires européens – Sunfire, Climeworks, Valinor et Paul Wurth – veulent produire des électro-carburants. Dévoilé en juin, le projet envisage la construction d’un site de production sur le parc industriel d’Herøya à Porsgrunn (Norvège). La mise en service est prévue en 2023 avec une capacité annuelle de 10 millions de litres dans un premier temps, puis de 100 millions d’ici à 2026. « Nous terminons la phase d’ingénierie et le bouclage du financement, précise Karl Hauptmeier, le directeur général de Norsk e-Fuel. Les travaux débuteront en 2022. »
Alternatives aux biocarburants, les électro-carburants, ou e-fuels, sont produits à partir de technologies power-to-liquid. Norsk e-Fuel mise sur la réaction de Fischer-Tropsch (FT) à partir d’un gaz de synthèse. Ce mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone est obtenu à partir d’eau et de dioxyde de carbone (CO2) par un co-électrolyseur à oxyde solide et haute température développé par Sunfire. Le CO2 utilisé sera soit capté dans l’air grâce à la technologie de Climeworks, soit capté dans des fumées industrielles. Toutefois, le prix des électro-carburants est bien plus élevé que celui des biocarburants conventionnels ou avancés. Notamment à cause du coût de l’électricité renouvelable. « L’objectif de 1,5 euro, voire 1 euro, par litre nous semble envisageable », souligne Karl Hauptmeier. Il faut également améliorer les performances de chacune des étapes, les intégrer au mieux les unes aux autres, et valoriser au maximum les coproduits. Zoom sur deux technologies clés : la co-électrolyse et la réaction FT.
Co-électrolyse, vers une première industrielle
Capable de produire de l’hydrogène vert à partir de vapeur d’eau et d’électricité renouvelable, un électrolyseur à oxyde solide et haute température (Soec) peut aussi être utilisé en mode co-électrolyse. En ajoutant du dioxyde de carbone à la vapeur d’eau en entrée, de l’oxygène est produit en sortie d’un côté, et de l’autre un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone: le fameux gaz de synthèse, qui sert de base à la production d’hydrocarbures liquides alternatifs. « Plusieurs entreprises développent des Soec, mais, à ma connaissance, nous sommes les seuls à l’employer pour de la co-électrolyse, assure Jan Freymann, chargé des relations publiques chez Sunfire. Après le succès de plusieurs démonstrateurs, nous travaillons sur une production à plus grande échelle. » Avec à la clé, des économies.
Point faible, la durabilité
D’autres pistes existent pour réduire les coûts, en améliorant les performances et l’efficacité de cette conversion électrochimique. Par exemple, le couplage avec d’autres étapes du procédé, notamment celles qui produisent de la chaleur. C’est le cas de la réaction exothermique de Fischer-Tropsch, qui transforme le gaz de synthèse en hydrocarbures. Cette chaleur peut être récupérée pour vaporiser l’eau en entrée et ainsi limiter le besoin en énergie extérieure. S’il ne participe pas au projet Norsk eFuel, le CEA-Liten de Grenoble travaille sur les Soec et a participé à trois projets principalement tournés vers la synthèse de méthane et de méthanol. Responsable du laboratoire des technologies hydrogène, Julie Mougin souligne l’importance d’améliorer la durée de vie des Soec : « Le niveau de performance est déjà conforme aux besoins de la technologie. Mais la durabilité reste un point à améliorer. Sans forcément changer les matériaux, il faut travailler sur la stabilité des microstructures des cellules électrochimiques et des interfaces pour qu’elles résistent aux hautes températures et aux atmosphères sévères. » Autre élément important : choisir les meilleurs paramètres d’alimentation en électricité, qui offrent de bonnes performances sans trop dégrader les matériaux. En particulier la densité de courant qui alimente le Soec et pilote la quantité de gaz de synthèse produit. « Le CO2 peut aussi apporter des impuretés ou de la corrosion», ajoute Marie Petitjean, ingénieure-chercheuse dans le laboratoire de Julie Mougin. D’où l’importance de le traiter en entrée pour obtenir une bonne qualité afin de ne pas endommager les matériaux sur le long terme.
Fischer-Tropsch, un réacteur plus sélect
Très utilisée pendant la Seconde Guerre mondiale, la synthèse Fischer-Tropsch (FT) permet de transformer un gaz de synthèse, composé d’hydrogène et de monoxyde de carbone, en des paraffines composées de longues chaînes d’hydrocarbures. Celles-ci peuvent ensuite être cassées en différentes chaînes plus courtes, de gazole ou de kérosène par exemple, lors d’une étape d’upgrading. Sur le projet Norsk e-Fuel, c’est Sunfire qui fournit le réacteur FT.
Mais ce n’est pas parce que la réaction est ancienne que les pistes d’amélioration n’existent pas. Notamment concernant la sélectivité, souligne Jean-Philippe Héraud, chargé des activités FT à l’IFP Énergies nouvelles, qui a développé un réacteur avec l’italien Eni. « Le but est d’orienter le plus possible la production vers des molécules longues. Plus nous en aurons, plus nous pourrons les couper vers les molécules plus courtes qui nous intéressent, comme le gazole ou le kérosène, lors de l’upgrading. »
L’importance du contrôle thermique
La synthèse FT étant exothermique, le contrôle fin de la température est un enjeu important pour une bonne maîtrise de la réaction. « Grâce à un procédé d’assemblage en phase solide par soudage-diffusion, nous avons développé un réacteur-échangeur FT compact avec un très bon contrôle thermique et donc une meilleure sélectivité », assure Olivier Bouchard, ingénieur R & D et membre du directoire chez Khimod, filiale du groupe Alcen. Le procédé permet d’assembler les différentes plaques du réacteur-échangeur microtubulaire. Des rangées de tubes transversaux accueillent un fluide caloporteur pour récupérer la chaleur de la réaction qui se produit dans des tubes longitudinaux munis de catalyseurs et où passe le gaz de synthèse. Une architecture différente de celle utilisée par l’Ifpen – de type slurry – et dans laquelle le gaz de synthèse, les paraffines et les catalyseurs baignent dans une même cuve.
Les catalyseurs représentent une autre voie pour renforcer la sélectivité. Certaines technologies ont recours à du fer. L’Ifpen utilise, lui, du cobalt. « La fabrication d’un catalyseur FT comprend plusieurs étapes qui peuvent être optimisées pour aller chercher plus de performances », indique Jean-Philippe Héraud. Les améliorations peuvent concerner la géométrie de la structure poreuse du support, qui est constitué d’un matériau inerte et sur lequel est déposé le matériau actif. Mais aussi la répartition de ce dernier à l’intérieur des pores ou en surface, qui joue également sur la sélectivité du catalyseur ou sa fragilité. Ou enfin l’étape d’hydrogénation, pour réduire l’oxyde de cobalt issu du minerai en du cobalt métallique qui sera actif.
