Cet article fait partie de notre série sur la valorisation du CO2. Lire l'article principal sur la valorisation du CO2 ici . Envie de connaître les bases de la chimie pour les investisseurs en technologie climatique ? Optez pour notre article chimie 101 . Vous voulez approfondir les opportunités du marché ? Obtenez tous les détails ici .

Conversion thermochimique

La conversion thermochimique du CO2 utilise la chaleur comme source d'énergie. En règle générale, un catalyseur est ajouté au mélange, abaissant la barrière énergétique de conversion du CO2 et accélérant la réaction de conversion. Les paramètres essentiels autour de la catalyse thermique sont le taux de conversion, la sélectivité du produit, le rendement du produit et la stabilité du catalyseur. Les produits pouvant être fabriqués à partir de CO2 par catalyse thermique sont évoqués ci-dessous :

CO2 en méthane (gaz naturel)

La création de gaz naturel de synthèse n'est pas un procédé nouveau. La première usine commerciale a ouvert ses portes il y a près de 40 ans dans le Dakota du Nord. L' usine de Great Plains Synfuels est toujours opérationnelle et produit plus de 170 millions de pieds cubes standard (± 1500 MW) de gaz naturel synthétique par jour. Depuis l'ouverture de cette usine, d'autres installations commerciales ont été ouvertes et diverses sources de carbone, telles que les copeaux de bois, peuvent également être utilisées comme intrant.

À la lumière des énergies renouvelables, la conversion du CO2 en méthane a été utilisée pour atténuer l'électricité excédentaire générée par l'éolien, le solaire, l'hydroélectricité, etc. L'électricité excédentaire est d'abord utilisée pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse de l'eau. Au lieu d'utiliser l'hydrogène directement pour le transport ou le stockage d'énergie, il peut subir une transformation en méthane avec du CO2 et davantage d'énergie renouvelable. L'avantage du méthane par rapport à l'hydrogène est que le méthane peut être injecté dans le réseau de gaz existant. De plus, le méthane peut être utilisé pour la production d'électricité afin de compenser l'intermittence des sources d'énergie renouvelables lorsque cela est souhaité. Un inconvénient de la conversion de l'énergie en méthane est que, comme tout processus de conversion d'énergie, de l'énergie est perdue.

✅ Avantages :

• Gaz naturel neutre en carbone.
• Processus relativement simple en une étape.
• Aucun changement d'infrastructure n'est nécessaire : le méthane produit peut être injecté directement dans le réseau de gaz naturel existant.

• Pertes d'énergie : des efficacités de processus allant jusqu'à 80 % peuvent être atteintes.
• 4 équivalents d'hydrogène vert sont nécessaires pour transformer le CO2 en méthane.
• La viabilité commerciale dépend largement de la disponibilité d'énergies renouvelables bon marché.

Outre la fabrication de méthane, le CO2 peut être converti en hydrocarbures à longue chaîne, également appelés carburant synthétique ou e-carburant. Ce concept a été découvert dans les années 1920 par Franz Fischer et Hans Tropsch. À cette époque, leur pays d'origine, l'Allemagne, n'avait pas de pétrole facilement disponible et, par conséquent, une pénurie de carburant s'est produite. Dans une quête pour résoudre ce problème de société, ils ont d'abord gazéifié le charbon pour créer un mélange de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2), également appelé gaz de synthèse. Lorsque le gaz de synthèse a été conduit sur un catalyseur à base de cobalt ou de fer, ils ont découvert qu'un mélange d'hydrocarbures à longue chaîne s'était formé. Ce mélange pourrait être distillé avec les mêmes méthodes que le pétrole a été distillé pour créer des carburants, tels que l'essence, le diesel et le kérosène.

Depuis la découverte de la synthèse dite Fischer-Tropsch (FT), la popularité de ce procédé a fluctué au cours du siècle dernier, le prix du pétrole étant l'un des principaux moteurs. Chaque fois que le pétrole est devenu cher, le procédé FT a gagné en popularité. Aujourd'hui, à la lumière des énergies renouvelables, le processus FT a récemment gagné en popularité, car il pourrait être une voie vers l'utilisation du carbone.

✅ Avantages :

• Carburant neutre en carbone, car aucune nouvelle ressource fossile n'est utilisée.
• Une solution d'appoint qui est possible aujourd'hui. Le procédé FT produit un e-brut qui a une composition similaire à celle du pétrole brut ordinaire. Aucune adaptation n'est nécessaire en termes d'étapes de raffinage nécessaires pour transformer le e-brut en une catégorie de carburant particulière (par exemple diesel, kérosène, essence).
• Moins d'hydrogène vert est nécessaire par rapport à la synthèse du méthane.

• Un apport d'énergie relativement important est nécessaire.
• Pertes d'énergie : les rendements typiques des processus varient de 60 à 80 % .
• Bien que circulaire, la combustion d'hydrocarbures synthétiques conduit toujours à des émissions de CO2. L'approche peut donc être une bonne solution provisoire pour les prochaines décennies, mais à long terme, les piles à hydrogène ou les véhicules électriques à batterie pourraient prendre le relais.

Un autre processus bien établi est la production de méthanol à partir de mélanges de CO2, CO et H2. Le méthanol est un élément chimique important et est utilisé comme précurseur de nombreux produits chimiques de base, tels que le formaldéhyde, l'acide acétique et les hydrocarbures à longue chaîne. Cette réaction chimique a été réalisée commercialement pour la première fois en 1966 par Imperial Chemical Industries en utilisant un catalyseur cuivre-oxyde de zinc-alumine. Actuellement, plus de 90 usines de méthanol ont une capacité de production combinée de 110 millions de tonnes et génèrent 55 milliards de dollars en activité économique chaque année. Le méthanol est un élément chimique important et est utilisé comme précurseur de nombreux produits chimiques de base, tels que le formaldéhyde, l'acide acétique et les hydrocarbures à longue chaîne.

Dans la perspective des énergies renouvelables, le méthanol est un vecteur énergétique prometteur : c'est un liquide à température ambiante et donc plus facile à stocker que l'hydrogène ou le gaz naturel. Le méthanol est parfois utilisé comme carburant directement dans les moteurs à combustion interne (ICE). Bien que sa densité énergétique soit inférieure à celle de l'essence, une économie basée sur le méthanol ne nécessiterait que de petites adaptations des moteurs et de l'infrastructure générale. L'avantage du méthanol par rapport à l'essence est que le premier est plus facile à synthétiser sélectivement (jusqu'à 100 % de sélectivité vis-à-vis du méthanol peut être atteint) à partir de mélanges CO, CO2 et H2, tandis que la réaction FT conduit toujours à un large spectre de produits et nécessite donc étapes de post-traitement similaires au traitement du pétrole dans les raffineries. L' industrie maritimepeuvent réduire considérablement leurs émissions d'oxydes de soufre et d'azote (SOx et NOx) en utilisant du méthanol au lieu d'hydrocarbures. De plus, le méthanol peut être utilisé efficacement dans les moteurs diesel marins après des modifications mineures .

✅ Avantages :

• Le méthanol peut être un carburant de remplacement pour les moteurs à combustion (en particulier les navires) avec seulement des modifications mineures nécessaires.
• Le méthanol peut être synthétisé de manière sélective et efficace à partir de mélanges de CO, CO2 et H2 (jusqu'à 100 % de sélectivité vis-à-vis du méthanol peut être atteint) et (contrairement au e-crude) ne nécessite pas d'étapes de post-traitement.
• Le méthanol est un liquide à température ambiante et plus facile à transporter que le méthane, qui est un gaz à température ambiante.
• Moins d'hydrogène vert est nécessaire pour la synthèse du méthanol par rapport à la production de méthane.

• Le méthanol a une densité énergétique inférieure à celle de l'essence.
• La combustion du méthanol émet encore du CO2.

L'éthanol et d'autres alcools à longue chaîne sont largement utilisés dans les mélanges de carburants commerciaux pour les moteurs à combustion interne afin d'augmenter l'efficacité de la combustion et l'indice d'octane de l'essence. Les alcools à longue chaîne sont généralement produits par fermentation, par exemple du maïs ou de la canne à sucre, et l'augmentation de la production exerce une pression sur les ressources agricoles et l'utilisation des terres. Si un processus catalytique efficace est développé, des alcools à longue chaîne pourraient être produits à partir de mélanges de CO, CO2 et H2 à la place. La production peut être soit à partir de CO2 directement, soit en deux étapes (via le CO). Les autres utilisations commerciales de l'éthanol comprennent les cosmétiques et les boissons alcoolisées.

Bien que l'éthanol soit assez similaire au méthanol en termes de structure chimique, la principale différence est que l'éthanol a deux atomes de carbone et le méthanol n'en a qu'un. Cela signifie, à l'instar de la différence entre le méthane et les hydrocarbures à longue chaîne, que l'éthanol dépend d'une étape de couplage carbone-carbone, alors que le méthanol ne l'est pas. Comme l' étape de couplage carbone-carbone est difficile à contrôler , un procédé visant l'éthanol comme produit de réaction créera généralement un spectre plus large de produits et comprendra généralement du méthanol, du propanol, du butanol et potentiellement d'autres hydrocarbures également.

✅ Avantages :

• L'éthanol est un liquide à température ambiante et est donc plus facile à transporter que les gaz.
• L'éthanol a une densité énergétique plus élevée que le méthanol.
• L'éthanol a une grande variété d'applications. Le synthétiser catalytiquement à partir de mélanges de CO, CO2 et H2 atténuerait en outre la pression que les procédés basés sur la fermentation exercent actuellement sur l'utilisation des terres et les ressources agricoles.

• Il reste difficile de synthétiser sélectivement de l'éthanol à partir de mélanges CO, CO2 et H2.
• La combustion de l'éthanol émet encore du CO2.

Le CO2 peut être incorporé dans des polymères, plus communément appelés plastiques, en utilisant diverses technologies. Un polymère est une structure moléculaire constituée d'une chaîne avec de nombreuses (poly)unités répétitives (n). Les polymères sont généralement utilisés comme produits plastiques de tous les jours. Une bouteille en plastique, par exemple, se compose d'un bouchon en polyéthylène (PE) et d'un corps en polyéthylène téréphtalate (PET).

Le CO2 peut soit être converti en polymère via un gaz de synthèse, soit être directement incorporé dans une chaîne polymère à l'aide d'un catalyseur homogène . Homogène fait référence au fait que le catalyseur et les réactifs/produits résident dans la même phase (liquide). Les avantages de cette approche sont que l'étape de rupture de la liaison carbone-oxygène, qui consomme beaucoup d'énergie, est omise et que l'infrastructure pour la polymérisation industrielle existe déjà. Les défis incluent l'atteinte de la parité des coûts, car le plastique est une marchandise produite à faible coût et la séparation/réutilisation du catalyseur homogène.

CO2 en acide formique

Une façon d'éviter l'étape de clivage de la liaison carbone-oxygène, qui consomme beaucoup d'énergie, consiste à produire de l'acide formique à partir de CO2. Le processus total nécessiterait 4 kWh/kg d'électricité d'acide formique, ce qui comprend la production de H2 par électrolyse de l'eau. Ce procédé en plusieurs étapes n'est pas encore largement commercialisé en raison des défis liés à l'extraction de l'acide formique du mélange réactionnel ainsi que du prix relativement élevé des catalyseurs à base de ruthénium ( 51 % des OPEX sont des coûts de catalyseur ). Il est donc peu probable que cette route devienne économiquement viable dans un avenir proche ( valeur actualisée nette (VAN)<0 ).

CO2 à d'autres produits chimiques de spécialité

Le CO2 peut en outre être converti en une variété de produits chimiques spécialisés ou utilisé dans des processus industriels pour remplacer d'autres produits chimiques. Chaque processus de création de produits chimiques de spécialité a ses propres avantages et inconvénients. L'inconvénient le plus courant est généralement les exigences élevées en matière d'apport d'énergie.

Conversion de CO2 assistée par plasma

On s'intéresse de plus en plus à la technologie plasma pour la conversion du CO2 car elle peut fonctionner dans des conditions douces . Le plasma est créé en appliquant de l'électricité à un gaz. Le gaz devient ionisé et se compose alors d'électrons, d'ions, de radicaux, d'atomes et de molécules au-delà de leur état neutre. Il s'agit d'un environnement très réactif et dans le cas de la conversion du CO2, il pourrait activer les molécules de CO2 à basse température. Bien que cette approche puisse être utilisée pour créer une grande variété de produits de réaction, les défis incluent l'efficacité énergétique relativement faible de max. 50% jusqu'à présent.

⚡ Conversion électrochimique

Comme il ressort clairement des sections précédentes, la rupture des liaisons carbone-oxygène d'une molécule de CO2 nécessite de l'énergie. Au lieu d'utiliser la chaleur comme source d'énergie, l'électricité peut être utilisée. Cette forme de catalyse est appelée électrocatalyse ou conversion électrochimique du CO2. Un réacteur électrochimique (voir Figure 1 ) se compose généralement de deux électrodes immergées dans l'électrolyte (eau avec ions) : une cathode chargée négativement (où le CO2 est converti) et une anode chargée positivement (où l'eau est oxydée). Par ailleurs, une membrane sépare normalement les deux compartiments de la cellule du réacteur et ne laisse passer que certains ions, par exemple des protons (c'est-à-dire des atomes d'hydrogène chargés positivement, également notés H+).

Les paramètres importants à comprendre dans le domaine de l'électrocatalyse sont l'efficacité faradique et la densité de courant. L'efficacité faradique est une mesure de la sélectivité du transfert d'électrons de l'électrode au produit de réaction souhaité et est généralement exprimée en %. La densité de courant (partielle) donne un aperçu de l'activité du catalyseur (vers un certain produit de réaction). La densité de courant est généralement exprimée en mA/cm2, où « mA » fait référence au courant traversant l'électrode et « cm2 » fait référence à la surface de l'électrode. En outre, la conception du réacteur peut augmenter considérablement le rendement global du produit. En particulier, les conceptions de réacteurs visant à lutter contre la solubilité limitée du CO2 dans l'eau sont prometteuses à des fins commerciales.

Une variété de produits de réaction peuvent être formés de cette manière, tels que le CO, l'acide formique, le méthane, le méthanol et l'éthylène. Bien que sa popularité ait certainement augmenté au cours des dernières années, l'électrocatalyse est généralement moins développée en termes de niveau de maturité technologique (TRL) par rapport à la catalyse thermique. Ci-dessous, nous développerons certains produits de réaction potentiels qui peuvent être formés via la voie électrocatalytique :

CO2 à CO

La transformation du CO2 en CO est la voie la plus mature pour la conversion électrochimique du CO2 à ce stade. Les densités de courant partielles pour la production de CO ont dépassé 1 A/cm2 , ce qui est similaire à l'électrolyse commerciale de l'eau produisant de l'hydrogène. La réduction du CO2 se produit à la cathode chargée négativement, tandis que l'oxydation complémentaire de l'eau se produit à l'anode chargée positivement. L'électrolyte est généralement des ions contenant de l'eau pour améliorer le transport des électrons. Un composé couramment utilisé pour fournir des ions est, par exemple, l'hydroxyde de potassium (KOH).

Les principaux défis à surmonter pour une commercialisation réussie sont les faibles rendements énergétiques et les instabilités des réacteurs. En outre, les faibles taux de conversion du CO2 et les faibles sélectivités des produits peuvent entraîner des coûts de séparation supplémentaires en aval. Les taux de conversion du CO2 pourraient généralement être améliorés en améliorant la solubilité du CO2 ou la disponibilité du CO2 vers les électrodes. Bien que l'eau soit l'électrolyte le plus couramment utilisé, la solubilité du CO2 est limitée. Considérer les électrolytes non aqueux pourrait être une solution. Alternativement, en choisissant la bonne conception de réacteur, le contact entre les électrodes et le CO2 peut être optimisé.

✅ Avantages :

• Une efficacité faradique élevée (50 à 80 %) peut être atteinte.
• Haute sélectivité en CO (95–98%).

• Des métaux précieux sont généralement nécessaires pour l'anode (Pt, Ir) afin d'obtenir des rendements énergétiques élevés.
• De faibles taux de conversion entraînent de faibles rendements.
• La solubilité du CO2 dans l'eau est limitée, ce qui limite la conversion globale du CO2.
• Apport énergétique important nécessaire ( 2,9 kWh/kg CO2 converti à 2,3 V et 95 % de sélectivité CO).

Semblable à la conversion thermochimique, l'étape de clivage de la liaison carbone-oxygène, qui consomme beaucoup d'énergie, peut être omise en produisant de l'acide formique (CHOOH) à partir de CO2 . Idéalement, l'acide formique est produit à la cathode et l'oxygène à l'anode. Cependant, une réaction secondaire indésirable est une réduction de l'eau en H2 et OH- à la cathode, ce qui réduit l'efficacité faradique en acide formique.

Un défi qui doit être surmonté à des fins de commercialisation est la solubilité limitée du CO2 dans l'eau, entraînant de faibles taux de conversion et de faibles densités de courant. Pour les applications industrielles, une densité de courant de 200 mA/cm2doit être démontré. Deux voies sont actuellement à l'étude pour augmenter la densité de courant. La première consiste à utiliser une conception de réacteur à électrode de diffusion de gaz (GDE), qui maximise le contact entre le CO2 gazeux, l'électrolyte liquide et l'électrode solide. La seconde consiste à utiliser du CO2 supercritique comme solvant, ce qui conduirait à des concentrations de CO2 plus élevées à la cathode. L'inconvénient de la deuxième approche est que l'utilisation du CO2 comme solvant n'est pas aussi développée que l'utilisation de l'eau comme solvant. En termes de commercialisation, il existe une poignée de projets, de startups et de grandes entreprises qui y travaillent. En 2013, par exemple, Mantra Venture Group a construit une usine de 100 kg de CO2/jour (35 t d'acide formique/an) au Canada. Plus récemment, plusieurs initiatives ont vu le jour dans l'UEcommercialiser la production électrochimique d'acide formique.

✅ Avantages :

• Omettre l'étape de clivage de la liaison carbone-oxygène.
• Besoins énergétiques potentiellement inférieurs par rapport à la voie thermochimique (1,75 kWh/kg d'acide formique (en supposant une efficacité faradique de 100 %) contre 4 kWh/kg d'acide formique)
• Aucun hydrogène supplémentaire n'est requis ; l'hydrogène provient directement de l'eau.
• L'oxygène et l'hydrogène sont les seuls sous-produits.
• Susceptible de devenir un procédé économiquement viable ( VAN>0 ), en particulier avec des capacités d'usine plus importantes (±350 kt d'acide formique par an).
• Le prix de l'électricité est le principal facteur de coût ( 64 % des dépenses d'exploitation ).

• L'acide formique est un produit spécialisé et la taille du marché peut être limitée.
• L'optimisation des processus énergivores et de l'efficacité énergétique est toujours nécessaire.
• La faible solubilité du CO2 dans l'eau limite le rendement en acide formique.
• Des électrocatalyseurs coûteux sont généralement nécessaires.

Le méthane et le méthanol (produits C1 ; voir Figure 2 dans l' article Chimie 101 ) peuvent être produits électrolytiquement à partir de CO2. Bien que techniquement réalisable sur des catalyseurs à base de cuivre , la voie thermochimique est beaucoup plus établie à ce stade. Il est donc peu probable que la production électrochimique de méthane et de méthanol puisse concurrencer les voies thermochimiques à l'échelle industrielle dans un futur proche.

CO2 à C2

Conversion directe du CO2 en éthylène (note annexe (voir Figure 2 dans l' article Chimie 101 ) : l'éthylène (C2H4) est de l'éthane (C2H6) avec une double liaison entre les 2 atomes de carbone et a 2 atomes d'hydrogène en moins) ou en éthanol (produits C2 ; voir Figure 2 dans l' article Chimie 101 ) a été rapporté dans la littérature académique. La création de produits C2 au lieu de produits C1 serait bénéfique, car des chaînes (hydro)carbonées plus longues stockent plus d'énergie. En outre, les produits C2 ont des applications commerciales plus larges. L'éthylène est un élément de base chimique courant, par exemple pour créer des plastiques, tandis que l'éthanol est largement utilisé comme carburant. Cependant, la commercialisation en est encore à ses balbutiements en raison de faibles rendements. Catalyseurs à base de cuivreont le plus souvent été postulées comme des candidats prometteurs pour faciliter la production de C2.

Les défis à surmonter à des fins de commercialisation sont une combinaison de science fondamentale et d'ingénierie. D'un point de vue scientifique, de nouvelles conceptions de catalyseurs devraient être inventées pour atteindre des efficacités faradiques plus élevées et de meilleures sélectivités de produits. Les recherches dans le domaine sont en cours. Par exemple, l'éthylène pourrait être produit à l'échelle du laboratoire à une densité de courant de 1,3 A/cm2 en augmentant la diffusion du CO2 à la surface du catalyseur grâce à la combinaison d'ionomère et de particules de catalyseur. D'un point de vue technique, des problèmes généraux tels que la faible solubilité du CO2 dans l'eau et l'instabilité du réacteur s'appliquent ici également.

✅ Avantages :

• Les produits C2 ont une valeur marchande plus élevée que les produits C1.

• Des défis de recherche fondamentale devront être surmontés pour parvenir à la commercialisation.
• Faibles rendements de produits.
• Faible sélectivité du produit.

Les nanomatériaux de carbone ont de nombreuses applications ; ils sont par exemple utilisés dans l'industrie des batteries et l'industrie des piles à combustible sous forme de graphite (voir Figure 2 ). Les nanotubes de carbone (NTC), autre structure des nanomatériaux de carbone ( Figure 2 ), sont par exemple utilisés pour des applications de stockage d'énergie, dans l'industrie automobile, et pour la purification de l'eau. Ces matériaux sont généralement produits à partir de combustibles fossiles ou extraits (dans le cas du graphite naturel). Son extraction et sa transformation se produisent principalement en Chine . Vers 2015, des rapports ont commencé à apparaître dans la littérature académique concernant la capture et l'électro-transformation du CO2 par sels fondus ( MSCC-ET) pour produire à la place divers nanomatériaux carbonés à partir de CO2. L'approche est très intéressante, car elle peut être négative en CO2 et a un apport énergétique inférieur par rapport aux procédés actuels basés sur les combustibles fossiles. L'apport d'énergie est d'environ 10 à 11 kWh/kg de CO2 converti pour le MSCC-ET contre 11 à 17 kWh/kg de graphite pour la production de graphite synthétique à partir de ressources fossiles. Pour les NTC, cependant, l'apport d'énergie est compris entre 30 000 et 300 000 kWh/kg et pourrait donc être réduit de manière drastique grâce au MSCC-ET. L'empreinte carbone serait également réduite de manière significative : -3,7 kg CO2e par kg de matériau carboné pour le MSCC-ET contre 2,1 à 14 kg CO2e par kg de graphite et 0,5 à 29 kg CO2e par kg de NTC issus de fossiles.

Le procédé électrolytique est réalisé à des températures relativement élevées (450 à 800 °C) et les meilleurs résultats à ce jour ont été obtenus avec un sel de carbonate de lithium fondu (Li2CO3) (voir Figure 3 ). Le sel fondu fonctionne comme un électrolyte, similaire à l'eau avec des ions dans d'autres processus d'électrolyse. Le carbone issu du CO2 finit par se déposer sur la cathode à base de Ni ou Fe, tandis que la complémentarité de l'oxygène évolue sur l'anode, qui peut être par exemple de l'oxyde d'étain (SnO2). Le type exact de nanomatériau de carbone (voir Figure 2 ) qui se forme au cours du processus dépend des conditions de réaction (par exemple, température et densité de courant ), de la composition de l'électrolyte et du catalyseur.

Les principaux défis autour de MSCC-ET sont actuellement des défis d'ingénierie, tels que l'élimination efficace des nanomatériaux de carbone des électrodes après dépôt. La commercialisation de ce procédé semble donc prometteuse et est actuellement poursuivie par une poignée de startups et/ou de plus grandes entreprises, listées ci-dessous.

✅ Avantages :

• Production de nanomatériaux carbonés potentiellement négatifs en carbone.
• Les métaux abondants dans la terre (Fe et Ni) peuvent être utilisés comme électrodes.
• Les gaz de combustion ou potentiellement l'air ambiant pourraient être utilisés directement comme flux de gaz d'entrée.
• Produit final de grande valeur.
• Grand potentiel de marché en raison de la demande croissante de nanomatériaux de carbone provenant de l'industrie des batteries et des piles à combustible.

• Manipulation de sels fondus (à base de lithium) à haute température (450–800°C).
• Les nanomatériaux de carbone doivent être grattés de l'électrode.
• Les impuretés des nanomatériaux de carbone doivent être éliminées lors de l'étape de nettoyage.

La conversion photochimique du CO2 utilise la lumière (solaire) comme source d'énergie. Le concept est similaire à la photosynthèse des plantes vertes, où le CO2 et l'eau sont convertis en sucres et en oxygène sous l'influence de la lumière. La photocatalyse , découverte dans les années 1970, est une réaction chimique induite par la lumière catalysée par un matériau semi-conducteur. À l'heure actuelle, la photocatalyse n'a qu'un nombre limité d'applications commerciales, qui ne sont pas nécessairement liées à la conversion du CO2. Par exemple, la purification de l'air et de l'eau avec des catalyseurs à base d'oxyde de titane ainsi que la production d'hydrogène . Ci-dessous, nous discuterons de certaines opportunités liées au CO2, qui sont actuellement principalement des recherches en cours dans les universités.

Jusqu'à présent, les produits de réaction les plus couramment étudiés à partir de la conversion photocatalytique du CO2 sont le CO, l'acide formique, le méthane, le méthanol et l'éthanol . À des fins de commercialisation, cependant, les efficacités au niveau des cellules et les sélectivités des produits devraient s'améliorer. Les voies les plus prometteuses vers la commercialisation seraient probablement de tirer parti des propriétés des matériaux photocatalytiques avec d'autres modes d'apport d'énergie pour les conversions de CO2, comme la catalyse photothermique (combinant chaleur et lumière), la catalyse photoélectrochimique (combinant électricité et lumière) ou la biophotocatalyse (combinant micro-organismes et lumière).

☣️ Conversion biologique

La conversion biologique du CO2 utilise des micro-organismes pour convertir le CO2. Bien que les scientifiques et les ingénieurs se soient principalement concentrés sur les trois méthodes décrites ci-dessus, les micro-organismes photosynthétiques convertissent le CO2 et l'eau en matière organique (par exemple, sucres ou autre biomasse) depuis plus de deux milliards d'années. A l'échelle mondiale, ces micro-organismes convertissent plus de 100 Gt de CO2 en biomasse par an. L'optimisation de leurs capacités, par exemple par l'ingénierie génétique ou métabolique, pourrait devenir une technologie de rupture pour la valorisation du CO2.

Les micro-organismes pour la valorisation du CO2 peuvent généralement être divisés en deux types . Le premier est photosynthétique, qui sont des microalgues et des cyanobactéries qui tirent toutes deux leur énergie de la lumière. Les microalgues sont considérées comme ayant le taux de fixation de CO2 le plus élevé de 1,8 tonne de CO2 par tonne de microalgues . Le second est non photosynthétique, ce sont des micro-organismes lithoautotrophes qui tirent leur énergie de composés réduits d'origine minérale.

Pour une conversion efficace du CO2, il est important de sélectionner la souche de micro-organisme appropriée avec la bonne densité cellulaire, les bonnes caractéristiques de croissance, les taux de fixation du CO2 et des rendements de produits élevés. Par ailleurs, le choix du bioréacteur (cuve agitée en continu, lit fixe, photobioréacteur, électrobioréacteur) est un paramètre important. Combiner les microbes à l'électricité pourrait être une approche particulièrement intéressante pour augmenter le rendement du produit issu de la conversion biologique du CO2. Les produits de réaction prometteurs de la conversion biologique du CO2 sont développés dans les sections ci-dessous.

Ci-dessous, nous détaillerons brièvement quelques voies potentielles de conversion biologique du CO2 :

CO2 en méthane

Une voie biologique prometteuse de valorisation du CO2 consiste à utiliser des méthanogènes , les micro-organismes qui produisent du méthane comme sous-produit dans des conditions anaérobies (sans oxygène). Ces micro-organismes sont courants dans les zones humides et les voies digestives des animaux. Ils utilisent le CO2 comme accepteur d'électrons et le H2 comme donneur d'électrons.

CO2 aux e-carburants

Bien que les micro-organismes photosynthétiques aient déjà la capacité naturelle de convertir la lumière du soleil et le CO2 en carburants, ils ont généralement une faible efficacité de conversion de la lumière du soleil de 3 à 6 % . Pour surmonter ce problème, des dispositifs artificiels tels que des cellules photovoltaïques peuvent être utilisés pour convertir l'énergie solaire en électricité avec une efficacité de 10 à 40 %. Le transfert d'électrons vers les micro-organismes peut se produire directement à partir d'une électrode, par exemple, un film microbien accepteur d'électrons sur la cathode, ou indirectement via un médiateur d'électrons, tel que l'acide formique.

Pour soutenir les micro-organismes, des nutriments sont nécessaires. La plus grande partie de ces nutriments est constituée d'ammonium (NH4+), qui est essentiel à la synthèse des acides aminés (éléments constitutifs des protéines) et des nucléotides (éléments constitutifs de l'ARN et de l'ADN). Pour éviter l'utilisation d'ammoniac (NH3), qui a une empreinte carbone importante lorsqu'il est produit par le procédé Haber-Bosch classique, les déchets de biomasse pourraient également être utilisés comme source d'azote ( Figure 4 ). Les cyanobactéries peuvent utiliser directement le N2 de l'air, mais ne sont généralement pas pertinentes pour la production biologique d'e-carburant.

Jusqu'à présent, la plupart des efforts se sont concentrés sur la croissance des algues dans de grands bassins ouverts qui utilisent directement le CO2 atmosphérique comme source d'apport. Un inconvénient de cette approche est qu'elle nécessite d'importants terrains. De plus, la concentration de CO2 dans l'air est relativement faible, ce qui rend le processus très lent.

Les micro-organismes dans les bioréacteurs pourraient rendre le processus de conversion du CO2 plus efficace grâce à des conditions de fonctionnement optimisées, des concentrations de CO2 plus élevées et des conditions d'éclairage optimisées. Cependant, de multiples défis à relever pour une commercialisation généralisée. Par exemple, les photobioréacteurs contenant des microalgues ou des cyanobactéries ont des coûts d'investissement et d'exploitation élevés, ce qui fait grimper le prix éventuel des e-carburants produits. D'autres défis majeurs sont l'efficacité du transfert de lumière, l'empoisonnement à l'oxygène et l'évacuation insuffisante de la chaleur dans de tels réacteurs. L'utilisation de micro-organismes lithoautotrophes (tirant de l'énergie de composés réduits d'origine minérale) en est encore à l'échelle du laboratoire ou au stade de la preuve de concept. En théorie, les micro-organismes lithoautotrophes pourraient être fixés dans un bioréacteur et le CO2 et le H2 pourraient barboter à travers la colonne pour produire des e-carburants.

✅ Avantages :

• Les gaz de combustion et d'autres flux de gaz résiduaires riches en CO2 pourraient être utilisés.
• Une sélectivité élevée du produit pourrait potentiellement être atteinte si les bonnes souches sont sélectionnées.
• La production d'hydrogène pourrait être omise.

• Efficacités et rendements de produits faibles.
• Coûts OPEX et CAPEX élevés.

La combinaison d'une cathode avec des micro-organismes peut être utilisée pour créer des acides gras à chaîne courte (C1-C6) directement à partir du CO2. Ce concept, qui est également appliqué dans la production biologique d'e-carburant, est appelé électrosynthèse microbienne . La cathode est alors utilisée comme source d'électrons pour les micro-organismes. L'acétate (C2) pourrait par exemple être produit par électrosynthèse microbienne à partir de CO2 avec une efficacité de 58% en associant une cathode fer-manganèse à des micro-organismes .

Les microalgues peuvent également produire des acides gras C16-C18 à partir du CO2. Leur teneur en lipides est généralement de 20 à 50 % du poids des cellules sèches. L'autre poids est généralement de la biomasse et/ou des glucides. Les défis à relever dans cette approche comprennent la sélection d'une souche d'algues à haute teneur en lipides , les conditions de culture et la concentration en nutriments.

La fermentation en deux étapes pourrait produire des acides gras à chaîne plus longue (C16-C18). Dans la première étape, le CO2 et le H2 sont convertis en un acide gras à chaîne courte, tel que l'acide acétique (C2) produit par un acétogène anaérobie . Dans la deuxième étape, le premier produit de réaction peut être converti en un acide gras à longue chaîne par un autre microorganisme, tel qu'une levure. En utilisant cette méthode, une teneur en lipides de 36 % a été rapportée à l'échelle du laboratoire.

✅ Avantages :

• Le procédé peut être réalisé dans des conditions douces (basses températures et pression ambiante).

• Rendements temporels et productivité relativement faibles.
• La séparation des acides gras du mélange réactionnel nécessite des étapes et des produits chimiques supplémentaires (par exemple méthanol/chloroforme).

Outre les acides gras, les acides aminés pourraient également être extraits des microalgues. En règle générale, les acides gras sont extraits en premier et de la biomasse microbienne dégraissée restante, les acides aminés peuvent être extraits . Les acides aminés sont les éléments constitutifs des protéines et ainsi plusieurs produits à valeur ajoutée peuvent être imaginés.

Alternativement, les acides aminés et les protéines pourraient être créés à partir de CO2, une source d'azote, et d'eau directement avec les bons micro-organismes et bioréacteurs. Les produits de réaction résultants pourraient être utilisés, par exemple, comme aliments pour poissons ou substituts de viande .

Les bactéries oxydant l'hydrogène sont un groupe spécial de bactéries qui peuvent utiliser l'hydrogène comme donneur d'électrons et l'oxygène comme accepteur d'électrons pour fixer le CO2. Ils sont potentiellement intéressants pour la production de protéines, car ils ont un taux de croissance plus élevé, des besoins en ressources plus faibles et une teneur en protéines plus élevée (70 à 80 %) par rapport aux autres. En termes de sources d'azote, les bactéries oxydant l'hydrogène sont polyvalentes et pourraient même prendre des flux de déchets contenant de l'azote, tels que les déchets agricoles (contenant du NH4+).

Une approche d'électrosynthèse microbienne en deux étapes a produit 55 % d'acides aminés en masse. Dans cette approche, le CO2 et le H2 ont d'abord été convertis en méthane et en eau lors de la méthanogenèse électrochimique. Dans la deuxième étape, le méthane a été oxydé en aérobiose par des bactéries oxydant le méthane. Pour la production de protéines comestibles, les bactéries oxydant le méthane sont les seules bactéries approuvées à ce jour par l'Union européenne .

✅ Avantages :

• Conditions de fonctionnement douces (basses températures et pression ambiante).
• L'approche pourrait réduire l'utilisation des terres pour la production de protéines.

• Une source d'azote est nécessaire.
• Faible productivité et faible rendement en acides aminés.
• Les protéines comestibles produites par des micro-organismes peuvent faire l'objet de réglementations.

Nous avons identifié les entreprises travaillant sur les méthodes spécifiques de valorisation du CO2 mentionnées ci-dessus et les avons classées en fonction de l'étape/échelle (estimée) à laquelle elles opèrent actuellement. Les startups sélectionnées sont visualisées graphiquement ci-dessous :