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La catalyse va-t-elle sauver le Monde en 2025 ?

February 25, 2020

Le 23 janvier dernier, j’étais invité par Interscience à faire une présentation lors de leur « SmartBrunch ». Sous ce titre accrocheur proposé par l’hôte, un sous-titre plus précis : « Réduction catalytique du CO2 : challenge et opportunités ». Après une introduction très générale sur la catalyse, il m’était donc demandé de donner mon point de vue sur le rôle de la catalyse, en particulier dans la problématique du CO2. Voici une retranscription relativement fidèle de mon propos.

Vous connaissez Meetic ? Ou Tinder ?

Je pose la question, parce qu’un catalyseur, c’est un peu ça… C’est un lieu de rencontre pour des molécules qui – selon la thermodynamique – auraient bien envie de se combiner pour se transformer en autre chose, mais qui – pour des raisons cinétiques – ne le font pas. La surface d’un catalyseur c’est en quelque sort la plateforme de rencontre pour molécules. Prenez du méthane et de l’oxygène, mélangez… rien ne se passe. Même en chauffant un peu, rien ne se passe. Mais si vous mettez un matériau bien précis dans le mélange (un catalyseur chargé de nanoparticules de Pd, par exemple), la combustion catalytique du méthane va pouvoir avoir lieu. En fait, un catalyseur facilite les réactions chimiques en proposant un mécanisme réactionnel différent, moins exigeant sur le plan énergétique. Le méthane une fois activé à la surface du catalyseur, va se faire attaquer (oxyder) facilement par l’oxygène pour donner de l’eau et du CO2.

La catalyse va-t-elle sauver le monde en 2025 ? Mais de quel Monde parle-t-on, d’abord ?

En fait, le monde qui nous entoure ne serait pas ce qu’il est sans la catalyse.

Quand vous entendez le mot « catalyse », vous pensez peut-être au « pot catalytique », ce dispositif qui – dans l’échappement de votre moteur – converti les imbrulés toxiques en composés nettement plus respirables, qui peuvent être rejetés dans l’atmosphère sans provoquer une crise d’asthme au piéton ou au cycliste qui passait par là. Heureusement que ces catalyseurs sont là pour nous éviter de respirer (encore plus) de microparticules de suies ! Ces microparticules sont complètement oxydées, grâce au catalyseur, en CO2, inoffensif… pour nos poumons en tout cas.

Mais au-delà de cet exemple classique, la catalyse est partout. On estime que plus de 90% des produits chimiques industriels sont produits à l’aide de catalyseurs [1]. Les produits plastiques que nous utilisons tous les jours sont largement obtenus par polymérisation catalytique. Nos médicaments sont des molécules organiques relativement complexes, obtenues par des procédés de synthèse multi-étapes qui font le plus souvent appel à la catalyse. La synthèse catalytique de l’ammoniac, par réaction entre l’azote et l’hydrogène, est l’une des réactions les plus importantes qui a permis la révolution verte via l’explosion de nos capacités à produire de la nourriture (avec les engrais synthétiques). Même des produits agro-alimentaires sont obtenus par voie catalytique ! Savez-vous comment on fabrique de la margarine ? En procédant à l’hydrogénation des insaturations (des doubles liaisons) qui se trouvent sur les longues chaines carbonées des triglycérides qu’on trouve dans les huiles végétales. Et ça, on le fait en utilisant un catalyseur hétérogène (à base de Pd ou de Pt ou de Ni). Au cours de l’hydrogénation, les huiles liquides deviennent plus visqueuses (le point de fusion augmente), jusqu’à former une phase solide à température ambiante. Et oui ! La margarine que vous avez étalée sur votre pain ce matin a certainement été en contact avec un catalyseur à base de nanoparticules de Ni !

Les puristes diront d’ailleurs, que la vie tout court est liée à la catalyse et plus précisément dans ce cas-ci aux enzymes, ces catalyseurs du Vivant, des protéines, développés par la Nature au fil de l’Evolution. Les systèmes vivants, les arbres, cette feuille, les animaux, vous, moi,… nous sommes des systèmes métastables. C’est parce que les systèmes biologiques exploitent l’aptitude des enzymes à accélérer les réactions de notre anabolisme que nous existons sous cette forme. En dehors de ces réactions chimiques, la biomasse est un système métastable qui dans notre atmosphère oxydante tend inexorablement à évoluer vers l’oxydation totale et donc à former du CO2 et de l’eau (principalement).

La catalyse va-t-elle sauver le monde en 2025 ? La question plus pertinente aurait été « la catalyse va-t-elle nous sauver, nous ? Sauver notre mode de vie tel qu’on le connait ?

Soyons sérieux ! Le Monde continuera de tourner, même sans nous ! Non, ce dont il est question ici c’est de nous, les Humains, notre mode de vie. De notre envie de pouvoir encore profiter des bienfaits de la nature, du confort des biens produits par nos industries, de la facilité qu’on a à se déplacer et se loger. Pour tout ça, il y a un hic.

Il y a quelques jour seulement, le Forum Economique Mondial publiait son rapport sur les risques globaux (Global Risk Report [2]), pointant pour la première fois dans son top 5 des risques les plus probables le changement climatique et les problèmes environnementaux liés. Les contributeurs de ce rapport sont des capitaines d’industrie, des acteurs publics et des universitaires intéressés principalement par l’économie et le développement industriel. Ce sont ces experts qui écrivent que « l’incapacité à atténuer les changements climatiques ou à s’adapter est le risque numéro 1 en termes d’impact dans la prochaine décennie ». Le changement climatique frappe plus fort et plus vite que ce que beaucoup avaient prédit. La hausse des températures est bien partie pour atteindre les + 3°C à la fin du siècle.

Pour prendre ces problèmes à bras le corps, une action coordonnée et multilatérale devrait être mise en œuvre très rapidement afin d’atténuer les impacts des changements en cours et de renforcer la résilience des communautés humaines. C’est aussi ce que demandent les manifestants, jeunes pour la plupart, dans les manifestations pour le climat. Je suis un scientifique, pas un politicien, mais il parait évident que cela demandera des actions fortes, par exemple via une taxation plus lourde des fuels fossiles ou la fixation d’un prix élevé pour l’émission du CO2. Car le principal coupable est connu, bien entendu : c’est le CO2. Et si la catalyse peut aider, comme on va le voir, elle ne peut pas tout !

La catalyse va-t-elle sauver le monde en 2025 ? Quel pourrait être son rôle dans la maitrise de ces changements climatiques, en particulier vis-à-vis de nos émissions de CO?

Le CO2 est considéré – à juste titre – comme une molécule stable. Pourtant, l’hydrogénation catalytique du CO2 a été découverte par Paul Sabatier dès 1902 lorsqu’il décrit le comportement des oxydes de carbone en présence d’hydrogène et de « nickel finement divisé ». Il a découvert qu’en présence du catalyseur (et en chauffant un peu) on pouvait déclencher la formation de méthane. Cette réaction de méthanation est d’ailleurs appelée la réaction de Sabatier.

D’un point de vue cinétique, cette réaction exothermique est tellement lente qu’elle ne se fait pour ainsi dire pas du tout, si on ne l’aide pas un peu… C’est lié au fait qu’elle a une énergie d’activation trop importante. Pour avoir production de méthane, il faut (i) utiliser un catalyseur et (ii) augmenter la température (mais pas trop, sinon, on favorise aussi d’autres réactions parasites). De nos jours la méthanation du CO2 est considérée avec beaucoup d’intérêt pour éviter l’émission de CO2 dans l’environnement et pour stocker l’énergie renouvelable.

La méthanation du CO2 permet de transformer un déchet en une ressource.

L’idée est de récupérer le CO2 que nous émettons – principalement en le chopant avant qu’il ne soit émis au niveau des sources locales (70% des émissions [3]), comme les fours de cimenterie, les cheminées de tous les procédés de combustion, les effluents d’incinérateur, etc. – et de le transformer en méthane par réaction avec de l’hydrogène.

Mais il y a un « mais » ! Savez-vous comment – au niveau industriel – l’hydrogène est produit pour la plus grande partie ? Et bien, principalement par reformage à la vapeur du… méthane ! On fait réagir du méthane (d’origine fossile, issu des gisements de gaz naturel) en présence d’eau et d’un catalyseur pour produire de l’hydrogène et du dioxyde de carbone. Ces réactions sont menées à haute température et il y a un coût énergétique significatif, et donc une émission supplémentaire de CO2. On comprend que ça n’aurait aucun sens d’utiliser de l’hydrogène pétro-sourcé (issu du méthane, avec production de CO2 au passage) pour le faire réagir avec du CO2 afin de re-produire du méthane ! C’est le serpent qui se mord la queue ! Le résultat serait une émission nette de CO2. Dans ce cas, autant utiliser directement le méthane d’origine fossile…

Non, il nous faut ce que j’appellerai ici de l’hydrogène « vert », autrement dit de l’hydrogène dont la production n’occasionne pas l’émission de CO2. Comment faire cela ? Par électrolyse de l’eau, si on dispose d’une cellule d’électrolyse qui est alimentée par une source d’électricité verte (une éolienne, un panneau photovoltaïque, etc.). Alors ça a du sens. Donc – et ceci est un message très important à retenir – même si on est capable – grâce à d’excellents catalyseurs de méthanation [4] – de refaire un hydrocarbure – le méthane – à partir du CO2 et de l’hydrogène, cela n’aura du sens que si on dispose d’une source d’hydrogène abondante, d’origine non fossile et à coût raisonnable.

Ce dernier point est crucial ! Des études récentes indiquent que l’hydrogène pétro-sourcé reste environ 5 fois moins cher que l’hydrogène produit par des électrons d’origine renouvelable (à cause d’un coût trop important pour l’étape d’électrolyse). Ceci me permet donc d’enfin répondre de façon plus précise à la question initiale : non, la catalyse, seule, ne va pas sauver le Monde. En fait, pour un développement à très large échelle, on sait que nos progrès dans le développement de catalyseurs de méthanation performants sont en partie suspendus aux progrès réalisés en parallèle dans le domaine de l’électrocatalyse pour l’électrolyse de l’eau (donc la production d’hydrogène vert). Mais on peut être optimiste, parce que ça bouge très vite dans le domaine de l’électrolyse de l’eau (par exemple, un énorme projet de production d’hydrogène vert alimenté par l’énergie éolienne off-shore au large des côtes belges a très récemment été annoncé par le groupe Deme).

En attendant, nous, on avance ! Au laboratoire, nous travaillons à fabriquer des catalyseurs  plus efficaces, en maîtrisant la dispersion des métaux actifs sous forme de très petites nanoparticules [5], en étudiant les interactions entre ces nanoparticules actives et leur support [4, 6, 7], et en développant des catalyseurs qui sont plus stables dans le temps [8], etc.

D’un point de vue stratégique, je voudrais insister sur le fait que la priorité devrait être à booster la capacité de production d’électricité verte et à sortir le plus vite possible du fossile. Ceci étant dit, sortir du fossile ne se fera pas en un claquement de doigts. Justement maintenant, on arrive dans une fenêtre d’opportunité importante, où la méthanation du CO2 aura un rôle important à jouer. Il s’agit de cette période où la part d’électricité renouvelable devient assez grande pour fournir les électrons et donc l’hydrogène verts nécessaires, mais où en même temps on a toujours en fonctionnement une quantité assez importante de procédés fossiles émetteurs de grandes quantités de CO2 et dont il faut essayer de neutraliser les émissions. À terme, dans un monde idéal, on n’aura presque plus de grands procédés émetteurs de CO2 et on n’aura donc plus vraiment besoin de la méthanation du CO2. Mais en attendant…

En attendant, le méthane peut être vu comme un vecteur énergétique pertinent

Il y a un problème pratique fondamental, en lien avec la production d’électricité renouvelable. Contrairement aux centrales nucléaires ou aux turbines à gaz, ces modes de production sont intrinsèquement intermittents. Lorsque les éoliennes ou les panneaux photovoltaïques tournent à plein régime, il faut soit être en mesure d’utiliser l’électricité directement, soit être capable de la stocker. La stabilité des réseaux est à ce prix ! On peut utiliser des batteries, mais ça, ça pose d’autres questions que je ne vais pas aborder ici. Si on couple la production l’électricité verte avec une cellule d’électrolyse, on a une bonne façon de stocker cette énergie électrique en énergie chimique ! L’hydrogène est alors un vecteur énergétique. On appelle ceci le scénario « power-to-hydrogen ». Le problème, c’est que le stockage de l’H2 n’est pas chose aisée. Son transport encore moins ! Il faut le comprimer de manière très importante et les risques associés à son transport sont significatifs.

La méthanation du CO2 peut nous venir en aide dans cette perspective. Si on dispose, sur le même site, d’une source de CO2, et d’une source d’hydrogène vert, il peut être intéressant de faire réagir l’H2 produit à partir d’électricité renouvelable avec ce CO2, pour produire du méthane. On appelle ça le scénario « power-to-methane ». Gros avantage de ce dernier : il peut être directement injecté dans les circuits de distribution existants pour le gaz naturel. Si on doit stocker le méthane, le cout du stockage est environ 10 fois moindre par rapport au stockage de l’hydrogène [9]. Par la production de ce « méthane vert » (aussi appelé e-methane ou e-gas) on convertit donc un déchet (le CO2) en un vecteur d’énergie très pratique à manipuler et à utiliser (le méthane). Des analyses de couts incluant la production, le stockage saisonnier et le transport ont montré qu’il y a des circonstances (pics de production électrique renouvelable et hausse du prix de l’énergie fossile) où le scénario power-to-methane est déjà largement plus intéressant que le scénario power-to-hydrogen [9].

La methanation du CO2 est déjà appliquée au niveau industriel. La première grande unité de méthanation du CO2 est en fonctionnement depuis 2015 à Werlte en Allemagne [10]. Elle utilise le CO2 capturé à partir d’une source fixe (unité de production de biogaz) et l’hydrogène produit par électrolyse de l’eau alimentée par l’énergie éolienne. Le méthane produit est injecté dans le réseau de distribution de gaz naturel. L’installation est utilisée pour faire face aux soubresauts du réseau électrique (les électrons qui ne peuvent pas être envoyés sur le réseau sont utilisés pour produire de l’hydrogène). L’unité de méthanation fonctionne avec un catalyseur au Ni.

Un dernier point important : le CO2 doit être capté et purifié avant de réagir sur le catalyseur

Les effluents industriels contiennent du CO2, certes, mais pas que ! Ces fumées contiennent des restes d’oxygène, de l’eau, des poussières, et autres impuretés qui sont autant de poisons pour les catalyseurs. Un poste de cout important est donc de d’abord capter et purifier ce CO2. Au niveau industriel, ça se fait par absorption dans des solvants aminés, ou par adsorption sur des phases solides, lesquels doivent ensuite être régénérés pour produire un flux de CO2 relativement pur (c’est là que le coût explose) qui peut être emmené vers le réacteur catalytique pour la méthanation.

Depuis peu, et c’est un axe de recherche que nous développons aussi au laboratoire, la tendance est à la recherche de matériaux solides qui peuvent agir à la fois comme adsorbant (pour capter le CO2 directement dans les effluents complexes, jusqu’à être saturés) et comme catalyseur (pour déclencher la réaction de méthanation lorsqu’on injecte de l’hydrogène) [11]. Ces matériaux à double fonction ne sont pas encore implémentés au niveau industriel, mais pourraient offrir de nouvelles perspectives pour le secteur.

Références

1.           Armor, J.N., A history of industrial catalysis. Catal. Today, 2011. 163(1): p. 3-9.

2.           World Economic Forum, 2020; The Global Risks Report 2020]. Available from: https://www.weforum.org/reports/the-global-risks-report-2020.

3.           Hausfather, F. Analysis: How much ‘carbon budget’ is left to limit global warming to 1.5C? 2018; Available from: Carbon brief https://www.carbonbrief.org/analysis-how-much-carbon-budget-is-left-to-limit-global-warming-to-1-5c.

4.           Kim, A., et al., CO2 methanation on Ru/TiO2 catalysts: On the effect of mixing anatase and rutile TiO2 supports. Appl. Catal. B, 2018. 220: p. 615-625.

5.           Sassoye, C., et al., A sustainable aqueous route to highly stable suspensions of monodispersed nano ruthenia. Green Chem., 2011. 13(11): p. 3230-3237.

6.           Kim, A., et al., Selective CO2 methanation on Ru/TiO2 catalysts: unravelling the decisive role of the TiO2 support crystal structure. Catal. Sci. Technol., 2016. 6(22): p. 8117-8128.

7.           Kim, A., et al., Mesoporous TiO2 Support Materials for Ru-Based CO2 Methanation Catalysts. ACS Applied Nano Materials, 2019. 2(5): p. 3220-3230.

8.           Martins, J., et al., CO2 hydrogenation with shape-controlled Pd nanoparticles embedded in mesoporous silica: Elucidating stability and selectivity issues. Catal. Commun., 2015. 58: p. 11-15.

9.           Vogt, C., et al., The renaissance of the Sabatier reaction and its applications on Earth and in space. Nat. Catal., 2019. 2(3): p. 188-197.

10.        New method for producing the synthetic fuel Audi e gas. Available from: https://www.audi-mediacenter.com/en/press-releases/new-method-for-producing-the-synthetic-fuel-audi-e-gas-5722.

11.        Melo, P. and D.P. Debecker, Combining CO2 capture and catalytic conversion to methane. Waste Disposal & Sustainable Energy (In Press), 2019: p. DOI:10.1007/s42768-019-00004-0.

From → Opinion, research

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