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Une nouvelle source de carbone pour la chimie ?

A Essen et à Lyon, Pascal Lyon

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CO2, MATIÈRE PREMIÈRE : UN SUJET QUI MONTE

Coup sur coup, fin septembre et mi-octobre 2012, deux conférences ont mobilisé des scientifiques et les principaux chimistes sur le thème de l'utilisation du CO2. A Lyon, CPE organisait le Forum CO2 pour la deuxième fois et rassemblait 250 participants de 26 pays. A Essen, les 10 et 11 octobre, le Nova Institut organisait pour la première fois sa conférence Carbone Dioxide as Feedstock for chemistry and polymers, rassemblant 180 participants de 25 pays. Un succès pour l'organisateur Michael Carus, qui annonçait en fin de congrès la reconduction de cet événement pour 2013, probablement sur trois jours. On notait le recouvrement partiel des communications entre les deux colloques. Un peu de cohérence européenne serait bienvenue pour ces colloques.

http://co2forum.cpe.fr/ http://www.co2-chemistry.eu/

Une nouvelle source de carbone pour la chimie ?

Bayer cherche à insérer du CO2 dans la structure de ses polyuréthanes.

© © Bayer

Est-il bien raisonnable de capter du gaz carbonique, le purifier pour simplement l'injecter dans le sous-sol pour des temps géologiques ? Les chimistes pensent que le CO2 est une molécule comme les autres qui peut réagir et générer de nouveaux matériaux et produits.

Le récent rapport de la banque mondiale "Turn down the heat" mentionnait des émissions de 35 Gt (milliard de tonnes) de gaz carbonique cette année, de 41 Gt en 2020. En attendant les effets de mesures d'efficacité énergétique, du développement d'énergies renouvelables non émissives de gaz carbonique, la voie privilégiée pour infléchir la progression de la concentration atmosphérique de ce gaz est le captage stockage du gaz carbonique (CCS). Il s'agit de récupérer le gaz carbonique contenu dans les fumées des grosses installations de combustion, cimenteries et haut-fourneaux, quitte à regrouper les émissions de plusieurs sites, comme envisagé au Havre. L'extraction réalisée, le gaz est purifié avant injection dans des formations géologiques adaptées. Pour avoir un effet sensible sur la teneur atmosphérique, ce captage devra concerner plusieurs milliards de tonnes (l'Agence internationale de l'énergie envisage 20 % de diminution des émissions). Selon l'AIE, les émissions en 2050 atteindraient 58 Gt/an, si l'on ne fait rien (+ 6 °C de température) ou seulement 16 Gt/an (+2 °C) avec des mesures très énergiques de tous les pays. Dans l'éventail des solutions pour abaisser les émissions (efficacité, renouvelables, etc.), le CCS compterait pour 17 % soit plus de 7 Gt/an à capter et injecter dans le sol. Une quantité faramineuse !

Un des douze principes de la chimie verte est l'économie d'atomes. Pourquoi ne pas utiliser le CO2 comme source de carbone (et d'oxygène), précurseur de synthèses d'autres molécules et matériaux. « Vu comme le climate killer N°1 dans la décennie 1990, lorsqu'on ne voyait que les risques sur l'effet de serre, le CO2 pourrait participer à la flexibilité des ressources dans une vision plus constructive », déclarait Christian Patermann, ancien responsable du programme Environnement à la DG Recherche à Bruxelles, lors de la Conférence "CO2 as chemical feedstock" à Essen, mi-octobre. On évite l'importation de ressources fossiles, et en fin de vie, ce carbone est recyclable. Processus gagnant-gagnant ! A long terme, l'extraction directe du CO2 de l'atmosphère est envisagée. Ce qui mettrait en parallèle du cycle naturel du carbone par la photosynthèse un cycle anthropogénique chimique.

Ces points sont à moduler. Certes, la consommation de CO2 par la chimie éviterait une partie des émissions mais sans effet sensible sur le réchauffement climatique : les ordres de grandeur ne sont pas là ! Le carbone pour toute la chimie mondiale correspond à 0,5 % des émissions annuelles de CO2. L'utilisation chimique du CO2 ne sauvera pas le climat ! Un point opportunément rappelé par Sophie Jullian, directeur scientifique IFP Énergies nouvelles lors du Forum CO2 qui s'est tenu à Lyon, mi-septembre. L'autre question soulevée est celle de la réactivité de la molécule. Formée par réaction spontanée avec l'oxygène, son niveau d'énergie est très bas. Pour utiliser ce CO2, il faut disposer de composés très réactifs (qui ont consommé de l'énergie pour leur synthèse) ou disposer d'énergie électrique à très bas coût.

Sophie Jullian insiste sur la disponibilité effective du CO2 pour son utilisation dans un cadre économique : « il faut connaître l'état du CO2, physique (température, pression) et chimique (nature des impuretés), l'importance quantitative et qualitative de la source de CO2 (concentration), la distance entre son captage et son utilisation. Le CO2 est utilisable sous plusieurs formes : sans conversion (solvant supercritique, récupération assistée d'hydrocarbures, industries diverses), ou en le faisant réagir. Mais pour obtenir quoi ? des précurseurs de synthèses (méthanol, acide formique etc), des carburants liquides, des matériaux. Là encore, plusieurs voies sont possibles : chimique, biochimique, photochimique, électrochimique, qui sont à des degrés d'avancement divers. » Du CCS on passe au CCS-U, U pour Utilization.

La valorisation effective du CO2 sera une alchimie entre possibilités thermodynamiques, types de conversion, facteurs économiques locaux et globaux (marché du carbone), investissements à réaliser... Il faut faire de la modélisation multiéchelle pour bien évaluer à un moment donné la pertinence d'une voie de valorisation.

Des applications chimiques et énergétiques

 

Le problème devient plus complexe avec l'intrication possible du CO2 avec les schémas énergétiques. Si l'on dispose d'hydrogène en abondance à faible coût, on peut synthétiser du méthane (procédé Sabatier). D'autres envisagent le méthanol carburant comme Paul Wuebben de Carbon Recycling International (Islande)- ou le DME, diméthyl éther, comme le suggérait le professeur Sang-Eon Park de l'université Inha en Corée. Certains se montrent très sceptiques sur le réel futur du méthanol et du DME comme carburants.

C'est une véritable économie du CO2 qui se met en place, comme l'expliquait Michael Carus du Nova Institut (organisateur de la conférence d'Essen). Elle se décline en cinq axes. Power to gas consiste à utiliser les énergies renouvelables et le CO2 pour produire du méthane ; en phase de "surproduction" d'é nergie électrique, on produit de l'hydrogène puis du méthane ; c'est une manière de stocker l'énergie transitoirement, ce méthane sert en retour à produire de l'électricité à la demande dans des centrales à cycle combiné. Obstacle : le coût de l'hydrogène qui devrait être de l'ordre de 0,01 €/kWh. C'est le projet CO2RRECT CO2 Reaction using Regene rative Energies and Catalytic Technologies où l'on trouve RWE, Bayer, Siemens, et 10 partenaires académiques avec le soutien du ministère allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF). Polymères et produits chimiques à partir du CO2 est le deuxième axe. Le troisième consiste à utiliser le CO2 pour les biotechnologies industrielles. Le quatrième est la photosynthèse artificielle : ce sont les travaux du Caltech et Suncatalytix. Le cinquième est la fixation directe du CO2 atmosphérique.

Lors de la conférence d'Essen, Dennis Kremer de la Dechema a fait le tour des projets allemands collaboratifs soutenus par le ministère allemand de la Recherche (BMBF) : Sur la période 2009-2017, le budget atteint 100 M€, répartis sur de nombreux projets. Tous ces projets bénéficient du réseau CO2NET du BMBF afin d'assurer une bonne circulation des informations, leur dissémination et dégager des synergies, sans oublier les collaborations internationales, notamment au sein de Suschem.

En restant purement dans la chimie, l'utilisation du CO2 comme matière première s'apparente à un rêve... d'où le nom des projets Dream Reactions et Dream Productions menés par Bayer. Le premier sur la période 2009-2012, le second démarré en mai 2010 avec pour objectif la production industrielle dès 2015 de mousses polyuréthanes dont la fraction polyol sera en partie issue de gaz carbonique. Il provient d'une centrale électrique au lignite de RWE. Une partie du CO2 est récupérée et envoyée chez Bayer Technology Services qui le convertit en polyol polyether polycarbonate, repris par Bayer Material Sciences qui produit une mousse polyuréthane par réaction avec de l'isocyanate. La réaction décisive est l'action du CO2 sur un époxyde en présence d'un catalyseur original à base de zinc.

Cette réaction CO2- époxy est utilisée pour produire du carbonate de polypropylène PPC, ou d'éthylène PEC, ainsi on peut incorporer 43 % en masse de CO2 dans le PPC et 50 % dans le PEC. Novomer s'est spécialisée dans les catalyseurs pour ces réactions. La société commercialisera début 2013 ses premières productions en petit tonnage de polyols PPC pour la fabrication de mousses PU, de thermoplastiques PU, d'adhésifs et de vernis.

Effervescence dans le domaine des polymères

 

BASF a déjà une production de carbonate de polypropylène PPC. Ce polymère est destiné à entrer dans des mélanges, par exemple avec du PLA et autres biopolymères. La société mise beaucoup sur ce PPC applicable dans de nombreux secteurs. Ces réactions CO2-époxyde prennent leur origine en 1969 avec les travaux d'Inoue utilisant des catalyseurs à base de zinc en phase hétérogène pour la production de carbonate de propylène au laboratoire. Les recherches se sont développées et continuent à l'être pour améliorer les catalyseurs, passer en catalyse homogène et en procédé continu. Il faut aussi créer les époxydes intéressants : l'Institut Fraunhofer IGB travaille à cela et notamment sur l'époxydation des terpènes par des lipases pour créer de nouveaux polycarbonates. DSM en collaboration avec l'Université technique d'Eindhoven et le DPI Dutch Polymer Institute travaillent sur des produits comparables pour des peintures et revêtements poudre. Norner en Norvège prévoit pour 2014 une unité en continu pour la production de PPC utilisable en mélange avec du PP ou du PE.

Le CO2 peut être couplé à l'éthylène et conduire à l'acide acrylique (projet BASF), à des alcanes pour la synthèse d'aldéhydes aliphatiques ou être utilisé en fermentation cétonique (projets Evonik) et dans d'autres synthèses, à condition de disposer de catalyseurs adaptés (Institut Leibniz de catalyse).

La valorisation du CO2 directe sans l'étape de séparation/purification est très regardée. RWE, comme d'autres, explore la voie biologique au travers des microalgues (photobioréacteurs) et la biotechnologie dans une coopération avec Brain AG (bioréacteurs) pour la production de différents composés chimiques. LanzaTech vise directement l'utilisation de fumées pour produire des produits chimiques par des biocatalyseurs natifs ou synthétiques. Projets déjà bien avancés avec une usine précommerciale démarrée début 2012 chez Baosteel en Chine. La société travaille plus largement sur les déchets fermentescibles et la biomasse comme source de carbone, notamment pour la production de 2,3 butanediol. L'ingénierie enzymatique et les procédés fermentaires en continu produiront d'autres molécules de base dans les années à venir selon Sean Simpson de Lanzatech.

Quel sera l'impact réel, global, de l'utilisation du CO2 pour la chimie ? Evonik est sans doute la société la plus avancée dans la réflexion, comme l'expliquait à Lyon Benjamin Schäffner qui mène également le projet H2ECO2, un groupe de scientifiques universitaires et industriels. Il faut viser des molécules d'intérêt commercial certain, obtenues par des voies réactionnelles présentant un réel avantage écologique. Le groupe a mis au point une méthodologie complète et alimenté une base de données très vaste (données thermodynamiques, environnementales etc) pour réaliser une analyse de cycle de vie la plus complète. Inutile d'utiliser tel ou tel composé apparemment avantageux sur un point dont le bilan carbone est au départ déplorable. Le groupe tient compte par exemple du changement d'affectation des sols et de l'utilisation éventuelle d'engrais pour obtenir une huile végétale "naturelle".

Une chose est sûre : la réutilisation du CO2 est bel et bien lancée et s'inscrit dans un schéma plus large d'empreinte carbone nulle, ce qui ne signifie pas la disparition des composés carbonés.

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