I&T : Le 21 novembre dernier, vous avez été désignée lauréate du prix Irène Joliot-Curie, catégorie « Femme, recherche et entreprise », en reconnaissance de vos contributions à l'utilisation novatrice de la chimie micro-ondes. Comment ces micro-ondes peuvent-elles catalyser l'émergence de technologies non-conventionnelles au sein de l'industrie ?
Marilena Radoiu : L'exploitation des micro-ondes dans le secteur industriel dépend intrinsèquement de la nature des matériaux manipulés, offrant généralement des avantages en termes de célérité et de contrôle précis de la température de chauffage, ce dernier étant de surcroît sélectif. Elles sont employées, notamment, dans des réactions chimiques spécifiques pour accélérer les processus de synthèse, améliorant ainsi l'efficacité des réactions. Parmi les applications notables, la fabrication de diamants, tant pour la joaillerie que pour des applications techniques telles que le dépôt de couches sur des outils et en traitement de surface.
Bien que la chimie micro-ondes existe depuis plusieurs années, son exploitation demeure limitée dans l'industrie. Ceci représente l'un des objectifs de ma société, Microwave Technologies Consulting, qui vise à établir une synergie entre le monde académique et l'industrie, afin de contribuer au développement de technologies assistées par micro-ondes, avec des applications variées dans les domaines de la chimie de synthèse, de la production d'hydrogène vert, de l'agroalimentaire, des semi-conducteurs et de la pharmaceutique.
Et vous accompagnez actuellement la start-up Sakowin dans l'exploitation des micro-ondes pour la production d'hydrogène décarboné…
Ces dernières années, l'hydrogène a suscité un engouement considérable en tant que combustible industriel. Sa production demeure monopolisée par des méthodes conventionnelles, telles que l'oxydation du méthane par reformage, émettant substantiellement de CO2, ou l'électrolyse de l'eau, exigeant une consommation électrique importante et l'utilisation d'eau purifiée et chimiquement traitée.
Avec Sakowin, nous privilégions depuis 2020 la voie de la plasmalyse du méthane issu du biogaz ou du gaz naturel, en exploitant les micro-ondes. Ce procédé utilise un plasma micro-ondes, sans rajout d’autre réactifs et ou catalyseurs, induisant ainsi sa décomposition en dihydrogène (gaz) et en noir de carbone (solide). L’absence de catalyseur permet une production à très grande échelle. Cette approche permet la production instantanée d'un hydrogène décarboné en requérant 5 fois moins d’électricité que la production par électrolyse et utilisable comme combustible sans émission de CO2, ou comme réactif dans des procédés chimiques de synthèse.
Comment les micro-ondes sont-elles employées dans la création du plasma ?
Le plasma est créé par l'application d'une source d'énergie pour ioniser un gaz, transformant ainsi le gaz en une matière chargée électriquement. Traditionnellement, les décharges électriques et les lasers pulsés sont utilisés pour chauffer un gaz de manière sélective, provoquant l'ionisation et la formation d'un plasma.
Les micro-ondes, en exposant un gaz, peuvent également induire l'ionisation et engendrer un plasma. Ce plasma de méthane dissocie instantanément les molécules pour une décomposition contrôlée, générant à la fois du noir de carbone solide et du dihydrogène.
À quelle phase de développement se situe le projet ?
Le procédé a atteint un stade avancé, avec le lancement d'un système complet de recherche et développement semi-industriel, permettant aux industriels de produire quelques kilogrammes d'hydrogène et de carbone solide en conditions réelles dans leurs laboratoires. En septembre 2023, nous avons inauguré une plateforme de test pré-industrielle permettant de développer un démonstrateur industriel qui sera opérationnel en 2024. L’objectif est de tester le dimensionnement et le fonctionnement du système complet incluant le réacteur plasma micro-ondes, la séparation gaz-solide et la séparation gaz-gaz. On vise à optimiser les performances pour atteindre des coûts de production ciblés, visant 2,50 euros par kilo d'hydrogène.
Quels sont les axes d'optimisation sur lesquels vous travaillez pour parfaire le procédé de plasmalyse ?
Grâce aux pilotes de laboratoires vendus et à l’équipement préindustriel conçu sur notre plateforme de test à Aix-en-Provence, nous explorons plusieurs paramètres cruciaux pour optimiser le processus de production d’hydrogène et du carbone dans sa totalité. En simulant les conditions de production dans un environnement industriel, tenant compte des divers composants du gaz, nous cherchons à anticiper au maximum les réactions pour les contrôler. Ces efforts visent à livrer deux démonstrateurs industriels pour beta testing en 2024 avec l'objectif ultime de commercialiser d'ici 2025 un module industriel capable de produire 200 kg d’hydrogène par jour à la demande et sur site. Ces modules pouvant s’additionner et permettre une production locale de plusieurs centaines de tonne d’hydrogène par jour.
Comment prévoyez-vous l'intégration de cette solution sur les sites industriels ?
La brique technologique sera présentée sous forme d’une armoire, s'ajoutant aux infrastructures gazières existantes des clients. Le module, en bout de ligne, permettra de convertir, à la demande, le gaz en hydrogène directement sur leurs sites, ce qui permettra de décarboner leur activité. En parallèle, nous travaillons sur le développement d'un modèle économique pour la récupération du noir de carbone qui sera généré par ces industriels, pour le valoriser par exemple pour la fabrication de pneus, de batteries électriques, de biochar pour l’agriculture ou de matériaux composites.
