En 2030, les carburants pour l’aviation devront incorporer 1,2 % d’e-kérosène. Ce pourcentage augmentera progressivement jusqu’à atteindre 35 % en 2050. C’est du moins l’objectif fixé par la directive européenne ReFuelEU Aviation, entrée en vigueur en janvier. En cas de non-respect, de lourdes pénalités sont à prévoir, d’environ deux fois la différence entre le prix d’une tonne d’e-kérosène et son équivalent fossile.
De plus, « en février, l’Agence de l’Union européenne pour la sécurité aérienne (Aesa) a publié un rapport qui servira de référence. Le coût de production moyen d’une tonne d’e-carburant est estimé à 7 695 euros, contre 734 euros en moyenne pour la même quantité de kérosène fossile, soit environ dix fois plus », pointe Alvaro Ramirez Santos, le directeur technique de l’Eghac, filiale de l’EIT Inno-Energy. De quoi donner un coup de fouet au déploiement de la filière des e-carburants. Ceux-ci doivent être produits à partir d’hydrogène vert issu d’électricité bas carbone (renouvelable ou nucléaire) et de CO2 capté. Ils s’additionneront aux biocarburants. Ces carburants d’aviation durable (ou SAF), issus de la biomasse, sont déjà présents dans les réservoirs d’avion à hauteur de 2 %. Or la réglementation européenne vise un taux de 70 % en 2050. « Il n’y aura pas assez de biomasse pour produire tous les carburants durables nécessaires à nos usages futurs, explique Claire Gauthier, la cheffe du programme Économie circulaire du carbone au CEA. Au final, un savant équilibre se fera entre les ressources en biomasse et la disponibilité en électricité bas carbone, et donc entre la production de biocarburants et celle d’e-carburants. »
Des rendements encore trop faibles
Comment répondre à la demande qui s’annonce ? Actuellement, deux procédés de production existent : la voie Fischer-Tropsch et celle du methanol-to-jet. « Ces technologies thermocatalytiques consistent à prendre du CO2, de l’hydrogène et, avec de la chaleur et des catalyseurs, à les transformer par réaction chimique en hydrocarbures. Dans le procédé Fischer-Tropsch, mis au point par l’armée allemande pendant la Seconde Guerre mondiale, on transforme d’abord le CO2 en CO par la réaction du gaz à l’eau inverse (ou réaction RWGS). Puis on réalise la réaction de Fischer-Tropsch avec le CO et l’hydrogène », détaille Claire Gauthier. À la fin, on obtient de l’e-kérosène et des coproduits tels que l’e-diesel, ou des e-naphtas.
Il n’y aura pas assez de biomasse pour produire tous les carburants durables nécessaires à nos usages futurs. Au final, un savant équilibre se fera entre la production de biocarburants et celle d’e-carburants
— Claire Gauthier, cheffe du programme Économie circulaire du carbone au CEA
Le procédé methanol-to-jet consiste, en un premier temps, à fabriquer de l’e-méthanol à partir de CO2 et d’hydrogène par une réaction bien maîtrisée de méthanolation. « L’e-méthanol est ensuite déshydraté pour obtenir des oléfines, plus précisément de l’éthylène. Ces oléfines sont ensuite oligomérisées puis hydrogénées pour produire des hydrocarbures. »
Si ces deux technologies, surtout le procédé Fischer-Tropsch, ont déjà fait leurs preuves, il reste un défi de taille : les assembler aux autres briques de la chaîne, à savoir le captage du CO2 et l’électrolyse de l’eau pour la production de l’hydrogène. « Il faut valider l’assemblage, indique Claire Gauthier. Il reste des enjeux de R&D pour optimiser ces briques et leur intégration dans une chaîne complète, afin de faciliter la réutilisation de la chaleur, du CO2 et de l’eau produits au cours des différentes réactions. Le but est d’augmenter le plus possible le rendement matière [c’est-à-dire transformer un maximum d’atomes de carbone en hydrocarbures d’intérêt, ndlr] et le rendement énergétique. Nous visons un objectif de 50 à 55 %. » Cette optimisation est cruciale, compte tenu de l’importance des ressources à mobiliser : la production d’une tonne d’e-kérosène nécessite ainsi 6,5 tonnes d’eau, 5 tonnes de CO2 et 40 MWh d’électricité rien que pour l’électrolyse.
Ce défi ne freine pourtant pas les projets, qui se multiplient, particulièrement en Europe. Selon l’Observatoire international des e-fuels (réalisé par Sia, un groupe international de conseil en management de nouvelle génération, pour le Bureau français des e-fuels), le Vieux Continent concentre 75 % des capacités mondiales de production prévues (estimées à 4 400 kilotonnes équivalent pétrole, ktep) d’e-kérosène. Trente-cinq projets (contre trois en Amérique du Nord, deux en Asie et deux en Afrique) y ont ainsi été annoncés, pour une capacité totale de 3 332 ktep. Ils se répartissent à peu près équitablement entre les deux technologies, puisque, toujours selon l’Observatoire international des e-fuels, sur les 3 332 ktep annoncées, 800 seront produites grâce au procédé Fischer-Tropsch et 880 par le procédé methanol-to-jet. Auxquelles s’ajouteront 578 ktep d’e-biocarburants et 1 172 ktep d’origine encore inconnue.
En France, plusieurs acteurs coopèrent sur le projet Take Kair pour la production d’e-kérosène. Il y a notamment l’Ifpen, en collaboration avec EDF (et sa filiale Hynamics, spécialisée dans la production d’hydrogène renouvelable et bas carbone), Holcim et Axens, avec le soutien d’Air France-KLM. « C’est un projet estimé à 800-900 millions d’euros qui vise à produire 50 kilotonnes par an de produits liquides à destination majoritairement de l’aérien sur la zone industrialo-portuaire de Saint-Nazaire, en Loire-Atlantique. La consultation publique a commencé en décembre. On devrait pouvoir produire les premières gouttes d’e-kérosène d’ici à 2029 », détaille Jean-Philippe Héraud, le responsable du programme biocarburants avancés à l’Ifpen. Take Kair s’appuie sur le savoir-faire de cet institut de recherche, qui cumule une maîtrise du processus RWGS et vingt-cinq ans de développement du procédé Fischer-Tropsch. « On améliore en permanence les performances pour réduire à chaque fois le coût économique du produit », souligne l’expert. Le CO2 sera capté sur le site du cimentier Holcim. L’hydrogène renouvelable sera fourni par Hynamics.
Du côté methanol-to-jet, l’énergéticien Verso Energy a annoncé en janvier le lancement de son projet Dézir, installé dans la zone industrielle de Petit-Couronne (Seine-Maritime). Représentant un investissement total de 1,3 milliard d’euros avec une mise en service espérée en 2030, il prévoit la production de 81 000 tonnes d’e-kérosène à partir de CO2 biogénique capté en sortie de la chaudière biomasse du producteur d’énergie verte BEA, à Alizay (Eure), et acheminé dans des canalisations sous forme gazeuse à Petit-Couronne. Ce programme fait partie des sept projets d’e-kérosène de l’entreprise, répartis entre la France, la Finlande et les États-Unis). Objectif : jusqu’à 500 000 tonnes d’e-kérosène. La start-up Elyse suit aussi cette voie pour son projet NeoCarb, implanté dans la zone portuaire de Fos-sur-Mer (Bouches-du-Rhône). Prévu pour 2030, il se compose de deux briques complémentaires, la production d’e-méthanol à partir de CO2 et d’hydrogène, et la production d’e-kérosène à partir de cet e-méthanol. Objectif à terme : 250 000 tonnes d’e-méthanol et 75 000 tonnes d’e-kérosène.
Seule ombre au tableau pour ce procédé : l’e-kérosène qui en est issu n’a pas encore reçu la certification de l’ASTM (elle est en cours d’obtention), obligatoire pour tout carburant destiné à l’aviation. Benoit Decourt, le cofondateur et associé d’Elyse pour les produits, la durabilité et les affaires publiques, justifie son choix par le fait que « pour le moment, nous nous sommes concentrés sur des technologies qui génèrent de l’argent. Dans le cas de la méthanolation, il n’y a pas de sujet. Les technologies sont bien comprises par les acteurs financiers. Or, quand on a commencé nos travaux et nos projets, la réaction du gaz à l’eau inverse ne nous paraissait pas suffisamment “bankable” et mature pour pouvoir passer la barre. En tout cas dans les horizons de temps qui sont les nôtres, c’est-à-dire pour produire en 2030. » Aujourd’hui, convaincre les investisseurs reste la priorité principale des acteurs de la filière e-fuel française et européenne. Car aucun des projets déjà annoncés n’a encore atteint le graal : la décision finale d’investissement.
Encore beaucoup d’incertitudes
Et la tâche s’avère ardue, compte tenu d’un certain nombre d’incertitudes. « La première concerne le marché de l’hydrogène », note Claire Gauthier. La demande industrielle sera-t-elle au rendez-vous pour assurer le déploiement des capacités d’électrolyse nécessaires pour produire l’hydrogène en quantité suffisante ? La question se pose sérieusement. Rien que pour le secteur aérien français, les besoins pourraient s’élever à 250 000 tonnes en 2035, soit 42 % de tout l’hydrogène que la France espère produire d’ici à 2030. Autour de l’utilisation du CO2 aussi, le flou règne. Pour la spécialiste, « la réglementation indiquant l’interdiction d’utiliser du CO2 industriel fossile au-delà de 2040 fait qu’un certain nombre d’investisseurs se demandent ce qu’il adviendra d’un projet commencé aujourd’hui avec ce type de gaz, beaucoup plus facile à capter que le CO2 atmosphérique. Par ailleurs, on s’interroge également sur la disponibilité du CO2 industriel biogénique, qu’il faudra nécessairement utiliser à partir de 2041. On a commencé à en évaluer les sources, mais elles ne sont pas si nombreuses, et surtout très diffuses. »
Aussi, « un certain nombre d’acteurs de la chaîne de valeurs se demandent si le mandat mis en place par ReFuelEU Aviation concernant les e-carburants va tenir. Et si les pénalités seront effectivement appliquées, analyse Alvaro Ramirez Santos. Cela les motive moins à conclure des accords d’achats. Ils sont pourtant essentiels pour les développeurs de projets de production afin de trouver le capital nécessaire auprès des investisseurs et des banques. » Les années à venir seront donc cruciales pour la filière.
Les e-biocarburants, un compromis hybride prometteur
Combiner des biocarburants avec de l’hydrogène électrolytique pour quasiment doubler le rendement matière et augmenter le rendement énergétique d’environ 15 %, c’est l’idée qui se cache derrière les e-biocarburants. « Quand on fabrique des biocarburants, on a un excès de carbone, puisque la biomasse c’est 1,5 atome d’hydrogène pour un atome de carbone », explique Benoit Decourt, le cofondateur et associé d’Elyse pour les produits, la durabilité et les affaires publiques. Or une chaîne d’hydrocarbures est composée d’une succession d’atomes de carbone liés à deux atomes d’hydrogène. « Ce déséquilibre dégrade le bilan matière et énergétique des biocarburants. Si l’on veut convertir tout le carbone, il faut a minima deux fois plus d’hydrogène, précise Claire Gauthier, la cheffe du programme Économie circulaire du carbone au CEA.
L’idée est donc d’ajouter de l’hydrogène électrolytique, ce qui va améliorer notablement le bilan matière de la conversion de la biomasse en carburant. » À partir d’une même quantité de biomasse, on produit donc deux fois plus de biocarburants, alors appelés e-biocarburants. « C’est un sujet dont on s’est emparé au CEA, afin de développer le concept et d’optimiser une telle chaîne de valeur. Car nous avons démontré que le rendement matière mais aussi énergétique est bien meilleur par rapport à la voie biocarburant classique, avec un investissement quasiment au même niveau, ajoute Claire Gauthier. C’est extrêmement intéressant parce que c’est une technologie que l’on peut développer assez rapidement en attendant les e-fuels. »
En France, BioTJet est le seul projet existant, porté par Elyse. Il s’appuie sur la technologie BioTfueL, développée par le CEA, l’Ifpen, le bailleur de licence Axens, le groupe Avril, mais aussi ThyssenKrupp et TotalEnergies. « C’était un gros démonstrateur semi-industriel qui nous a permis de démontrer la technologie, et maintenant de la porter à l’échelle industrielle avec BioTJet », raconte Benoit Decourt. La décision finale pour ce projet, dont la mise en service est espérée en 2029, est attendue fin 2026. « Sur les 87 000 tonnes de SAF qui sortiront de notre usine, environ 50 % seront considérés comme des biocarburants avancés », conclut-il.
À Dunkerque, les partenaires du projet BioTfueL ont validé la chaîne intégrée pour la production de biokérosène sur une unité préindustrielle (crédit photo : TotalEnergies).
