Comment produire de l'hydrogène renouvelable à grande échelle ? Comment fabriquer des hydrocarbures à partir de CO2 recyclé ? Des instituts de recherche flamands développent des solutions technologiques pour contrer le réchauffement climatique.
Pour limiter le réchauffement climatique à 2 °C, les émissions nettes mondiales de CO2 doivent atteindre zéro d'ici 2050. Grâce aux panneaux solaires et aux véhicules à énergie verte, les émissions diminuent rapidement dans les transports et la construction. Cependant, dans des secteurs industriels comme l'agriculture, la sidérurgie ou la cimenterie, une réduction aussi rapide est irréaliste. Selon le GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat), les émissions résiduelles de ces secteurs devront être compensées par une élimination active du CO2 de l'atmosphère.
Une grande attention est portée au développement de technologies pour capter et stocker le CO2 atmosphérique. Bart Onsia, expert en conversion d'énergie et responsable du développement commercial chez imec/EnergyVille, étudie la prochaine étape : comment recycler ce CO2 ? « Pour réutiliser le CO2, il faut d'abord le convertir en composants utiles », explique-t-il. « Un arbre utilise la lumière du soleil pour transformer l'eau et le CO2 de l'air en hydrocarbures. C'est essentiellement ce que nous visons, mais de manière plus efficace. »
Ces technologies innovantes sont regroupées sous le terme « Power-to-Molecules ». L'idée est de transformer l'eau et le CO2 en matières premières précieuses pour l'industrie. Selon le produit obtenu, on parle de « Power-to-Gas » ou « Power-to-Liquids ». « Les molécules issues de Power-to-Molecules peuvent être gazeuses ou liquides », précise Bart Onsia. « Cela inclut des carburants comme l'hydrogène, le méthanol ou l'éthanol, mais aussi des composés comme l'éthylène ou le gaz de synthèse, utilisés comme matières premières dans l'industrie chimique pour produire des polymères, par exemple. »
Cette conversion nécessite de l'énergie renouvelable, comme l'énergie solaire (parfois appelée « carburants solaires ») ou éolienne. Face à la variabilité de ces sources, l'électricité excédentaire peut être convertie en énergie chimique. Idéalement, cela se fait sur site pour minimiser les pertes de transport. « Les parcs éoliens offshore préféreraient convertir leur énergie directement en hydrogène », illustre Bart Onsia. « C'est une nouvelle forme de stockage : au lieu d'une batterie, on stocke l'excédent sous forme de carburant renouvelable. »
Pour produire des molécules de valeur à partir d'énergie renouvelable, l'hydrogène (H2) est la molécule clé. Aujourd'hui, l'industrie chimique et la sidérurgie utilisent principalement de l'hydrogène « gris », issu du reformage à la vapeur du gaz naturel, qui génère du CO2.
Une alternative écologique est l'électrolyse de l'eau : en appliquant un courant électrique à des électrodes dans l'eau, on produit de l'hydrogène à la cathode et de l'oxygène à l'anode.
Pourtant, l'hydrogène vert n'est pas encore répandu en raison de son coût élevé. L'électrolyse ne représente que 5 % de la production mondiale. « Le reformage coûte environ 2 €/kg, contre au moins 6 €/kg pour l'électrolyse, en fonction de l'échelle », note Bart Onsia. « Nous pouvons rendre les électrolyseurs plus petits, plus efficaces et compétitifs grâce à des innovations. »
L'électrolyse alcaline est la plus mature. Un électrolyseur de 5 MW (capacité d'une éolienne offshore) produit 100 kg d'hydrogène par heure. Il comprend 170 cellules en série, avec des électrodes annulaires de 2 m de diamètre séparées par une membrane ionique perméable qui évite le mélange des gaz explosifs.
L'efficacité dépend des réactions de surface : plus la surface est grande, mieux c'est. Imec, avec la KU Leuven, a développé un « nanomesh », un matériau robuste à surface immense par volume. Philippe Vereecken, directeur scientifique de la conversion d'énergie chez imec, explique : « Imaginez un seau de balles de tennis versus un de sable : le sable offre plus de surface. Notre nanomesh multiplie cela par 33 par micromètre d'épaisseur. Une canette de soda remplie de nanomesh équivaudrait à un terrain de football, encore aux trois quarts aéré. »
Le nanomesh, un grillage 3D de nanofils poreux, combine grande surface et porosité. Les électrodes s'amincissent, les membranes aussi, réduisant les pertes. Des revêtements nanocouches optimisent encore l'efficacité. « Nos technologies de nanoélectronique accélèrent la production d'hydrogène vert à grande échelle », ajoute Philippe Vereecken. À terme : électrolyse de vapeur ou d'humidité ambiante.
L'électrolyse est clé pour la décarbonation : à court terme, l'hydrogène vert réduit les émissions dans l'acier et le ciment via piles à combustible ; à long terme, il recycle le CO2.
« La sidérurgie croîtra de 30 % d'ici 2050. Remplacer le charbon par hydrogène éviterait 1 t de CO2/2,3 t d'acier, mais requerrait 50 Mt/an d'H2. Dans le ciment, 0,9 t de CO2/t produite », souligne Bart Onsia.
Ensuite, H2 + CO2 produiront méthanol ou éthanol en une étape. À terme : captage direct dans l'air (400 ppm) pour une économie circulaire du CO2, voire fixation de l'azote.
L'innovation est cruciale pour une énergie durable et neutre en carbone d'ici 2050.
