La nature comme modèle pour alimenter l’avenir
Des chercheurs chinois ont réalisé une avancée majeure dans le domaine des énergies propres en mettant au point un système qui transforme le dioxyde de carbone et l’eau en molécules de base utiles à l’industrie chimique, en utilisant uniquement la lumière du soleil. Cette avancée, décrite dans la revue à comité de lecture Nature Communications, s’inspire de la photosynthèse, le processus naturel par lequel les plantes produisent de l’énergie à partir de la lumière du soleil, de l’eau et du carbone présent dans l’atmosphère.
Sommaire
L’équipe de recherche, composée de scientifiques de l’Académie chinoise des sciences et de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong, a créé un matériau spécialisé capable de stocker de petites quantités d’énergie électrique. Cette capacité de stockage est essentielle pour déclencher les réactions chimiques nécessaires à la transformation du dioxyde de carbone en composés utiles, sans recourir aux combustibles fossiles.
Associé à des catalyseurs qui facilitent la conversion du dioxyde de carbone, le système permet de produire du monoxyde de carbone grâce à l’énergie solaire. Ce composé intermédiaire peut ensuite être transformé en carburants liquides à base d’hydrocarbures, offrant une piste pour alimenter des secteurs difficiles à électrifier, notamment l’aviation et le transport maritime.
Le fonctionnement de la photosynthèse artificielle
La conversion du dioxyde de carbone en carburant grâce à la lumière du soleil, appelée photocatalyse ou photosynthèse artificielle, est depuis longtemps un objectif de la recherche sur les énergies propres. La photosynthèse naturelle permet aux plantes de stocker l’énergie solaire dans des liaisons chimiques et de produire des sucres à partir du dioxyde de carbone et de l’eau. Les scientifiques cherchent à reproduire cette efficacité en laboratoire afin de créer des carburants durables susceptibles de remplacer les produits pétroliers.
L’équipe chinoise s’est attaquée à un défi majeur de la photosynthèse artificielle : la nécessité de relier simultanément plusieurs réactions chimiques complexes. Les systèmes naturels reposent sur des mécanismes biologiques sophistiqués qui stockent temporairement les électrons produits par la lumière et favorisent ainsi un transfert efficace de l’énergie entre les différentes étapes de réaction. Les chercheurs ont reproduit cette stratégie en concevant un matériau à base de trioxyde de tungstène modifié à l’argent, qui sert de réservoir de charges électriques.
L’équipe a décrit sa stratégie dans l’article publié.
Ces travaux établissent une stratégie de réservoir de charges inspirée du vivant pour réduire efficacement le dioxyde de carbone par voie photochimique et proposent une approche universelle de production de carburants solaires.
Ce matériau stocke des électrons lorsqu’il est exposé à la lumière et les libère à la demande pour déclencher des réactions chimiques. Le système obtient des résultats comparables à ceux des méthodes utilisant des agents sacrificiels organiques, souvent peu durables, tout en pouvant être associé à différents catalyseurs. En conditions d’ensoleillement naturel, le matériau a déclenché les réactions de conversion, démontrant son potentiel pour des applications concrètes de production de carburants solaires, sans éclairage artificiel ni source d’énergie externe.
La concurrence internationale s’intensifie
L’avancée chinoise intervient alors que la concurrence internationale s’intensifie pour mettre au point des technologies viables de production de carburants solaires. Partout dans le monde, des chercheurs poursuivent des travaux parallèles pour convertir le dioxyde de carbone atmosphérique en vecteurs énergétiques utilisables, avec des stratégies techniques et des applications visées différentes. Ces avancées simultanées laissent penser que, après des décennies de recherche en laboratoire, la technologie approche de la viabilité commerciale.
En Suisse, des scientifiques de l’ETH Zurich, sous la direction du professeur Aldo Steinfeld, ont mis au point une installation industrielle qui extrait directement de l’air ambiant le dioxyde de carbone et l’eau. Grâce à l’énergie solaire concentrée, l’installation dissocie ces composés pour produire du gaz de synthèse, un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone, ensuite transformé en kérosène et en méthanol. La combustion de ce kérosène solaire ne libère que la quantité de dioxyde de carbone absorbée lors de sa production, ce qui rend son bilan carbone neutre. La technologie est suffisamment avancée pour un déploiement commercial : des financements ont été obtenus pour une installation de production industrielle en Allemagne, qui devrait démontrer la viabilité économique du procédé.
Des chercheurs japonais ont également pulvérisé les précédents records d’efficacité en adoptant une autre approche. Des scientifiques de l’Institut des sciences de Tokyo et de l’Université d’Hiroshima ont mis au point un nouveau photocatalyseur à base d’oxyhalogénure de plomb, qui multiplie jusqu’à soixante fois la production d’hydrogène par rapport aux méthodes classiques. Leur matériau atteint un rendement quantique record d’environ 15 % pour la production d’hydrogène et de 10 % pour la conversion du dioxyde de carbone en acide formique, un carburant liquide. Le professeur Kazuhiko Maeda, qui a codirigé ces travaux, a expliqué l’importance des améliorations structurelles.
Cette étude souligne combien il est important de maîtriser la morphologie des oxyhalogénures pour exploiter pleinement leur potentiel en tant que photocatalyseurs.
Parallèlement, des chercheurs de l’Université de Cambridge ont mis au point un réacteur à circulation alimenté par l’énergie solaire, qui capte directement le dioxyde de carbone atmosphérique grâce à des filtres spécialisés. Le dispositif absorbe le dioxyde de carbone pendant la nuit et le convertit en gaz de synthèse lorsqu’il est exposé au soleil, sans source d’énergie externe, câble ni batterie. Un miroir concentre la lumière solaire pour déclencher la réaction chimique. Cette approche décentralisée pourrait permettre de produire du carburant dans des lieux isolés, non raccordés aux réseaux électriques.
Des scientifiques indiens contribuent eux aussi à cet effort mondial. Le professeur Indrajit Shown, de l’Institut de technologie et des sciences Hindustan à Chennai, a mis au point un matériau à base de zinc et de soufre qui capte la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone en acétaldéhyde, un composant de carburant. Le système est environ 200 fois plus efficace que les méthodes précédentes et utilise la lumière du soleil ordinaire plutôt que des équipements d’éclairage spécialisés. Le professeur Shown a insisté sur les objectifs concrets de ces recherches.
Cette recherche vise à trouver des moyens concrets d’aider la planète, et pas seulement à faire progresser la science.
La dimension internationale de ces avancées indique que les technologies de production de carburants solaires arrivent à maturité grâce à plusieurs voies de recherche indépendantes, ce qui augmente les chances qu’au moins l’une d’elles aboutisse à un succès commercial.
Des applications pour l’aviation et le transport maritime
Les applications potentielles de ces technologies vont au-delà des transports conventionnels et concernent des secteurs particulièrement difficiles à électrifier. L’aviation, le transport maritime et l’industrie lourde dépendent fortement des carburants liquides à base d’hydrocarbures, en raison de leur forte densité énergétique et de leur compatibilité avec les infrastructures existantes. Ces secteurs représentent ensemble une part importante des émissions mondiales de dioxyde de carbone, mais se prêtent difficilement à une conversion aux batteries électriques ou aux piles à combustible à hydrogène.
La décarbonation de l’aviation se heurte à des obstacles particulièrement importants. Les avions ont besoin de carburants à très forte densité énergétique pour conserver un poids et une autonomie raisonnables. Les technologies actuelles de batteries ne permettent pas de stocker suffisamment d’énergie pour les vols long-courriers sans ajouter un poids prohibitif, qui rendrait l’exploitation commerciale impossible. L’aviation représente aujourd’hui environ 3 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone d’origine humaine. Cette part devrait augmenter avec la hausse du nombre de passagers, qui pourrait atteindre 7,5 milliards par an d’ici à 2035.
Les carburants solaires constituent une solution prometteuse, car ils peuvent remplacer directement les combustibles fossiles conventionnels. Le kérosène produit à partir de dioxyde de carbone et de lumière solaire peut alimenter les moteurs d’avion existants sans modification, tandis que le méthanol peut servir de carburant maritime ou de matière première pour la production de médicaments. Comme ces carburants ne rejettent que le dioxyde de carbone capté lors de leur production, ils créent un cycle fermé du carbone qui évite d’ajouter de nouveaux gaz à effet de serre dans l’atmosphère, tout en utilisant les infrastructures de distribution existantes.
L’Association internationale du transport aérien considère les carburants d’aviation durables comme essentiels pour atteindre la neutralité carbone d’ici à 2050. L’Agence internationale de l’énergie estime que ces carburants pourraient couvrir 10 % des besoins de l’aviation en 2030, puis près de 20 % en 2040. Pourtant, ils représentent actuellement moins de 0,1 % de la consommation totale. L’ampleur du déploiement nécessaire pour atteindre ces objectifs reste donc considérable, même si ces technologies ont fait leurs preuves en laboratoire et dans des installations pilotes.
Les obstacles au déploiement commercial
Malgré les progrès scientifiques remarquables, des obstacles importants freinent l’adoption à grande échelle des technologies de production de carburants solaires. Le coût demeure le principal frein à leur viabilité commerciale. Selon les chercheurs suisses, le kérosène solaire produit à grande échelle coûterait entre 1,35 et 2,20 dollars par litre. Si ce prix rapproche le carburant de la compétitivité avec le kérosène conventionnel, les investissements initiaux élevés nécessaires à la construction d’installations industrielles compliquent le déploiement et font peser des risques sur les premiers investisseurs.
Les contraintes géographiques limitent également le potentiel de production. La production de carburants solaires exige un ensoleillement abondant, ce qui fait des régions désertiques des lieux privilégiés pour implanter les installations. Toutefois, acheminer les carburants produits dans des zones désertiques isolées jusqu’aux grands pôles de transport nécessite d’importants investissements dans les infrastructures ainsi qu’une coordination logistique. Contrairement aux biocarburants, qui entrent souvent en concurrence avec la production alimentaire pour l’utilisation des terres agricoles, les carburants solaires peuvent être produits dans des zones désertiques incultivables. Ils préservent ainsi les terres agricoles pour les cultures et l’élevage, tout en tirant parti des régions fortement ensoleillées.
Des défis techniques subsistent pour améliorer les rendements de conversion et la durabilité des systèmes. Les avancées récentes représentent des progrès considérables par rapport aux technologies antérieures, mais les systèmes actuels ne convertissent toujours qu’une fraction de l’énergie solaire disponible en énergie chimique. À titre de comparaison, le rendement de la photosynthèse naturelle est d’environ 1 %, tandis que des résultats récents obtenus en laboratoire ont atteint 13 à 15 % pour certaines étapes de réaction, selon une étude publiée dans Science. Les recherches devront continuer à porter sur la mise au point de catalyseurs plus efficaces, l’amélioration des mécanismes de séparation des charges et la création de systèmes capables de fonctionner de manière fiable dans des conditions réelles, et pas seulement dans des laboratoires contrôlés où la température et l’humidité restent constantes.
Un soutien public semble essentiel pour combler l’écart entre les réussites en laboratoire et le déploiement commercial. Des chercheurs préconisent la mise en place de quotas obligeant les compagnies aériennes à s’approvisionner en carburant durable à hauteur de proportions définies, afin de garantir une demande suffisante pour justifier les investissements dans les infrastructures. De tels dispositifs réglementaires pourraient accélérer le déploiement et faire baisser les coûts grâce à l’augmentation des volumes de production, comme cela a été le cas pour les panneaux photovoltaïques et les éoliennes au cours des deux dernières décennies.
L’essentiel
- Des scientifiques chinois ont mis au point un système inspiré des plantes qui utilise du trioxyde de tungstène modifié à l’argent pour transformer le dioxyde de carbone et l’eau en précurseurs de carburants grâce à la lumière du soleil. Leurs travaux ont été publiés dans Nature Communications.
- La technologie repose sur un réservoir de charges qui stocke l’énergie électrique nécessaire aux réactions chimiques et élimine le besoin d’agents sacrificiels peu durables.
- En Suisse, au Japon, au Royaume-Uni et en Inde, des équipes poursuivent des recherches parallèles sur les carburants solaires, avec des approches et des rendements différents.
- Les carburants solaires pourraient contribuer à décarboner l’aviation et le transport maritime, des secteurs difficiles à électrifier en raison de leurs besoins élevés en densité énergétique.
- Le coût estimé du kérosène solaire se situe entre 1,35 et 2,20 dollars par litre. Une production à grande échelle nécessiterait d’importants investissements dans les infrastructures.
- Selon l’Agence internationale de l’énergie, les carburants d’aviation durables pourraient répondre à 10 % de la demande en 2030 et à 20 % en 2040, si les difficultés liées au déploiement sont surmontées.
