Sans passer par l'hydrogène Transformer directement le CO₂ en carburants et en produits chimiques

L'électrolyse directe du CO₂ permet d'éviter la production et le stockage séparés de l'hydrogène, qui constituent la première étape du processus. Pour une utilisation industrielle, les cellules doivent toutefois consommer moins d'électricité et fonctionner de manière stable plus longtemps. Deux projets de recherche visent à surmonter ces obstacles – et à ouvrir ainsi de nouvelles voies vers la production de matières premières chimiques et de carburant synthétique pour l'aviation.

À l'avenir, le dioxyde de carbone ne devra plus seulement être évité ou capté, mais également utilisé comme matière première : des chercheurs de l'Université technique de Berlin travaillent sur des procédés permettant de transformer directement le CO₂, à l'aide d'électricité, en matières premières chimiques et en composants pour les carburants synthétiques. Au cours des trois prochaines années, deux nouveaux projets de recherche se pencheront sur différents défis : tandis que Jethylen poursuit le développement de la conversion électrochimique directe du CO₂ en éthylène, matière première pour le carburant synthétique destiné à l’aviation, Innocell travaille sur des cellules d’électrolyse plus performantes et évolutives pour la conversion du CO₂. Pour ces deux projets, le département d’électrochimie technique et d’électrocatalyse de l’Université technique de Berlin reçoit au total environ 2,6 millions d’euros.

Dans de nombreux procédés de production de carburants synthétiques, l’eau est d’abord décomposée en hydrogène vert et en oxygène à l’aide d’électricité renouvelable issue du soleil, du vent et de l’énergie hydraulique. L’hydrogène est ensuite utilisé, associé au CO₂, pour synthétiser des matières premières et des intermédiaires destinés à l’industrie des carburants chimiques. Les chercheurs de l’Université technique de Berlin (TU Berlin) adoptent une approche différente : dans le cadre de l’électrolyse directe du CO₂, le dioxyde de carbone est directement transformé avec de l’eau dans une cellule électrochimique. Ce procédé permet de produire directement des précurseurs chimiques de carburants, sans qu’il soit nécessaire de produire et de stocker au préalable de l’hydrogène en tant que vecteur énergétique à part entière. « Nos réactions clés à cet effet sont déjà en cours en laboratoire », explique le professeur Peter Strasser, directeur du département d’électrochimie technique et d’électrocatalyse. « Il s’agit désormais de rendre les électrolyseurs plus efficaces, plus durables et de plus grande taille. »

L'éthylène comme matière première pour le carburant d'aviation synthétique

Le projet Jethylen porte sur la conversion électrochimique directe du CO₂ en éthylène. L'éthylène est une matière première importante pour l'industrie chimique et peut servir de matière première pour la production de carburant synthétique pour l'aviation. Dans un procédé en aval, il est d’abord transformé en hydrocarbures plus longs, puis traité ultérieurement. L'avantage de ce procédé : la réaction électrochimique directe du dioxyde de carbone et le traitement chimique ultérieur de l'éthylène permettent d'obtenir une chaîne de processus relativement courte à des températures relativement basses. Cela permet d'améliorer l'efficacité énergétique.

Le projet est coordonné par Siemens Energy, qui en assure la direction du consortium. Parmi les autres institutions partenaires figurent l'Université technique de Berlin (TU Berlin), l'Institut Fraunhofer pour les technologies des interfaces et des bioprocédés (IGB) et le groupe de réflexion sur le transport aérien Bauhaus Luftfahrt. Ensemble, ils souhaitent rendre l’électrolyse directe du CO₂ en éthylène plus efficace, plus durable et applicable à des installations de plus grande envergure. Pour ce faire, il est prévu de réduire la tension des cellules, qui passe ainsi d’environ 4,5 volts actuellement à environ 2,5 volts. « Grâce à cette mesure et à d’autres, nous souhaitons faire passer le rendement énergétique d’environ 27 % actuellement à 50 %. Parallèlement, nous visons un fonctionnement stable pendant au moins 1 000 heures », explique M. Strasser. En termes de taille également, il s’agit d’une avancée significative : alors que les installations de laboratoire comparables fonctionnent jusqu’à présent généralement avec des surfaces d’électrodes d’environ 10 centimètres carrés, l’installation technique devrait permettre l’exploitation de cellules d’une surface de plusieurs centaines de cm² et, sur cette base, de développer des concepts pour une mise à l’échelle industrielle avec des surfaces d’électrodes pouvant atteindre 0,5 mètre carré, soit 5 000 centimètres carrés. Jethylen bénéficie d’un financement du ministère fédéral allemand de la Recherche, de la Technologie et de l’Espace (BMFTR), dans le cadre du programme de financement DISCO₂ (« Approches disruptives pour l’utilisation industrielle du CO₂ »). Le projet se déroule de mars 2026 à février 2029 ; l’Université technique de Berlin bénéficie d’une subvention d’environ un million d’euros.

De nouvelles cellules pour l'électrolyse du CO₂

Le deuxième projet, Innocell, s'attaque à un autre défi : comment concevoir, de manière générale, des cellules d'électrolyse qui fonctionnent de manière performante et stable, même à plus grande échelle ? Le point de départ est une conception de cellule développée et brevetée à l’Université technique de Berlin pour ce qu’on appelle les électrodes à diffusion de gaz. Celles-ci permettent d’acheminer directement le CO₂ sous forme gazeuse vers le catalyseur et d’atteindre ainsi des densités de courant élevées. Le projet utilise pour cela des substrats polymères hydrofuges et électriquement isolants. Ils contribuent à réduire le risque d’inondation des électrodes à diffusion gazeuse par l’électrolyte. Ce problème, connu sous le nom de « flooding », entraîne l’obstruction des pores des électrodes à diffusion gazeuse et entrave ainsi considérablement le processus. Grâce aux substrats polymères hydrofuges, les cellules peuvent fonctionner de manière stable même à des densités de courant élevées. Un collecteur de courant spécialement développé est utilisé pour assurer la connexion électrique nécessaire.

Pas seulement la production d'éthylène

Les cellules sont testées à des températures comprises entre 60 et 80 degrés Celsius et à une pression pouvant atteindre 30 bars – des conditions pertinentes pour les applications industrielles des électrolyseurs au CO₂. Le projet vise ainsi des densités de courant d’au moins 500 milliampères par centimètre carré, un rendement énergétique d’au moins 45 % et une durée de fonctionnement d’au moins 1 000 heures. Le fonctionnement des cellules ne se limite pas à l’électrolyse pour produire de l’éthylène : Innocell étudie également la production de monoxyde de carbone (CO). Le CO est un intermédiaire important de l’industrie chimique et un composant du gaz de synthèse, à partir duquel sont notamment produits du méthanol et d’autres carburants synthétiques. « C’est en fonction des performances obtenues que le projet déterminera quelle application sera poursuivie à plus grande échelle », explique Peter Strasser.

Le projet se déroulera de 2026 à 2029 dans le cadre du programme « VIP+ » du ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche. Ce programme vise à évaluer la faisabilité et à développer davantage les résultats de recherche présentant un potentiel d'applications économiques ou sociétales. Le montant de la subvention accordée à l'Université technique de Berlin s'élève à 1,6 million d'euros.