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La valorisation du CO2 et du bois, objet d'étude au CEA

Sylvie Latieule

Parmi tous ses grands domaines d'intervention, le développement d'énergie bas carbone, notamment à partir de ressources renouvelables, figure parmi les priorités du CEA. Mais du domaine des carburants liquides à celui des molécules d'intérêt, il n'y a qu'un pas.

Produire plus et mieux tout en consommant et en rejetant moins, c'est tout l'enjeu de l'industrie en général et de la chimie en particulier. Pour y répondre, le concept de chimie verte est apparu en 1991 avec Paul Anastase et l'édiction de ses douze principes. Depuis, il n'a cessé de se répandre. Au niveau d'un organisme comme le CEA, tous les programmes de R&D qui touchent à la chimie s'inscrivent dans le cadre d'une innovation responsable et sûre répondant aux critères de la chimie verte.

Parmi les sujets qui intéressent le Commissariat, il y a celui de la valorisation des déchets et en particulier du CO2. Molécule très stable avec un bas niveau énergétique, elle ne peut pas être utilisée comme une source d'énergie. Elle demande d'autre part une grande quantité d'énergie pour la coupure de ses liaisons C-O, ce qui explique qu'elle n'a été que peu utilisée comme matière première par rapport à l'éthylène ou le méthane. « Le CO2 est utilisé pour produire de l'urée ou des polycarbonates dans des applications de niche. Hormis ces exemples, il n'a pas encore de valorisation du CO2 », explique Thibault Cantat, chercheur de l'Institut rayonnement-matière de Saclay (CEA Iramis).

Le CEA a donc choisi de relever le défi et de s'intéresser à la valorisation du CO2 pour produire, mais dans des conditions douces et compétitives, des molécules telles que des formamides, des méthylamines ou du méthanol qui présentent un intérêt pour les domaines des engrais, des pesticides, des solvants et des adhésifs... Fort de son expertise en chimie moléculaire, catalyse et calculs quantiques, l'Iramis a ainsi développé sept nouveaux procédés catalytiques. « Sur la base de modélisations théoriques, les chercheurs ont réussi à s'affranchir des catalyseurs métalliques, posant des problèmes de coût, de toxicité et de disponibilité, pour mettre au point de nouveaux catalyseurs sans métal pour la conversion du CO2 », précise le CEA. En fait, des chercheurs sont parvenus à produire des formamides à partir de CO2 et de PMHS, un polymère issu de l'industrie des silicones. Pour commencer, les scientifiques (CEA et CNRS) ont mis au point un système qui permet d'obtenir des formamides à partir de CO2, en une seule étape, dans des conditions respectueuses de l'environnement et avec un rendement élevé. Cependant, la réaction nécessitait l'interaction du CO2 avec un réactif hydrosilane, coûteux. Grâce à la nouvelle génération de catalyseurs issus de la famille des carbènes, 2 000 fois plus réactifs que ceux précédemment employés, il a donc été possible de substituer à l'hydrosilane des molécules de PMHS, sous-produit de l'industrie de l'électronique et du photovoltaïque. Le procédé mis au point repose ainsi sur le recyclage de deux déchets industriels en même temps.

 

Du CO2 au méthanol

 

Autre exemple avec le méthanol, il peut être obtenu à partir de CO2. Cependant les catalyseurs existants pour la transformation directe par électrolyse ne sont ni efficaces ni sélectifs. Quant à la réaction par hydrogénation, elle requiert encore l'utilisation de hautes pressions. Partant du constat que la réduction du CO2 vers l'acide formique était, quant à elle, efficace et bien maîtrisée, des chercheurs ont eu l'idée de produire du méthanol à partir de CO2 en passant par l'acide formique. « C'est en 2013 que les premiers catalyseurs permettant la conversion de l'acide formique en méthanol ont vu le jour, avec les travaux du groupe de Karen Goldberg à l'université de Washington. Mais ils utilisaient un métal particulièrement coûteux (l'iridium) et le rendement ne dépassait pas 2 %. Une équipe du CEA Iramis s'est alors penchée sur la question et a atteint un rendement de 50 %, en développant des catalyseurs à base de ruthénium (dix fois moins coûteux que l'iridium). L'équipe s'attache désormais à coupler les deux réactions (du CO2 à l'acide formique puis de l'acide formique au méthanol) pour évaluer le rendement énergétique global de cette nouvelle voie de synthèse du méthanol à partir du CO2 », complète le CEA. Ces résultats ont été publiés le 2 août 2014 dans la revue Angewandte Chemie.

« La pétrochimie utilise de très grandes quantités de métaux pour fonctionnaliser le pétrole et cela coûte très cher. Notre stratégie est de créer de la valeur à travers la production de molécules organiques plus compétitives à partir de CO2 », conclut Thibault Cantat. Il précise toutefois que si de tels procédés s'industrialisaient, les volumes de CO2 consommés ne seraient pas significatifs pour peser positivement sur le climat.

 

La lignine comme source d'aromatiques

 

En parallèle de ces études sur la valorisation du CO2, cette même équipe du CEA travaille sur la valorisation de la biomasse. « La biomasse contient déjà des hydrates de carbone qui sont plus hauts en énergie que le CO2. Il faudra moins d'énergie pour couper les liaisons. En revanche on travaille sur des soupes de molécules difficiles à séparer sélectivement. Et c'est cette séparation qui est coûteuse énergétiquement », commente Thibault Cantat. Dans ce domaine, une biomasse particulièrement intéressante est le bois et ses déchets. La cellulose et l'hémicellulose sont déjà bien valorisées sous forme de sucre et de pâte à papier. En revanche, il reste un enjeu autour de la lignine qui n'est toujours pas valorisée, alors qu'elle pourrait être une source potentielle d'aromatiques, molécules à forte valeur ajoutée. Afin de promouvoir l'utilisation de la lignine, le CEA Iramis a breveté en 2014 le procédé Calred permettant l'obtention de molécules aromatiques de haute pureté (>99 %) avec de hauts rendements, directement à partir de déchets de bois. Cette technologie présente l'avantage d'opérer à la température ambiante, en l'absence de catalyseurs ou réactifs métalliques. Des applications sont entrevues dans l'industrie des parfums et des arômes.

LA FILIÈRE DU CAPTAGE ET STOCKAGE DU CO2 EN DIFFICULTÉ

Souvent présenté comme incontournable pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, le captage et le stockage du CO2 (ou CCS pour carbon capture and sequestration) peine à se développer, faute de financements. Capter le dioxyde de carbone produit par l'industrie et le stocker dans le sous-sol, au lieu de le laisser s'échapper dans l'atmosphère, aurait pourtant l'avantage de rendre plus propre l'utilisation encore massive des énergies fossiles. Dans un récent rapport, l'Agence internationale de l'énergie (AIE) a cependant jugé « incertain » l'avenir du CCS, car « la technologie avance lentement à cause des coûts importants et d'un manque d'engagement politique et financier ». Seules 13 installations importantes fonctionnent dans le monde, dont sept aux États-Unis, selon le Global CCS Institute, contre huit, il y a deux ans. En France, Alsthom a notamment lancé en juillet 2013 un test de captage à la centrale à charbon d'EDF au Havre, représentant un investissement de 22 millions d'euros. De son côté, le pétrolier Total a mené à bien un projet de 60 millions d'euros dans le bassin gazier de Lacq. Néanmoins, plusieurs projets ont été abandonnés,ces dernières années. En ce début d'année, quatre géants de l'énergie viennent de se retirer d'un projet européen visant à développer ces techniques. EDF, l'allemand RWE, le Suédois Vattenfall et l'Espagnol Gas Natural Fenosa ont déclaré qu'ils quittaient la « plateforme zéro émission » (ZEP) destinée à conseiller la Commission européenne. « Nous ne disposons pas actuellement du cadre économique nécessaire en Europe pour faire des CCS une technologie attractive pour l'investissement », ont justifié les partenaires dans un courrier révélé par Reuters.

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