Transformer le CO₂ en carburants : des chimistes résolvent un problème majeur lié à la mise à l'échelle
Le Centre technique LIKAT produit pour la première fois un catalyseur à l'échelle du kilogramme destiné à une installation pilote
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Les chimistes du centre technique LIKAT de Rostock ont réussi pour la première fois à produire un nouveau catalyseur à l'échelle pilote. Les dix premiers kilogrammes de cette substance ont désormais été livrés à des partenaires de recherche à Hambourg et à Vienne. Ce catalyseur, développé au LIKAT dans le cadre d’un précédent projet collaboratif, est destiné à produire des carburants neutres en CO₂ à Vienne et à démontrer son aptitude pratique pour des installations de plus grande envergure. Il s’agit de la pièce maîtresse d’une version moderne de la synthèse de Fischer-Tropsch (FTS), mise au point il y a cent ans par deux chimistes allemands pour liquéfier le charbon et le gaz naturel. Au lieu de matières premières fossiles, cette nouvelle variante de la FTS liquéfie désormais le CO₂, un gaz à effet de serre.
Le Dr Christoph Wulf et le Dr Simon Haida (de gauche à droite) présentent un échantillon du matériau synthétisé
Rachow, LIKAT
La nouvelle version de ce catalyseur Fischer-Tropsch a été mise au point à l’Institut Leibniz de catalyse. Le procédé transforme le dioxyde de carbone (CO₂), associé à de l’hydrogène (H₂) produit de manière durable, en carburants synthétiques respectueux du climat. Ces carburants peuvent alimenter des moteurs à combustion interne classiques et, contrairement à l’essence ou au diesel, ne contiennent absolument aucun composé soufré ni azoté. « Ces recherches visent une mobilité durable et neutre en CO₂, ce qui est également l’une des priorités de l’agenda national en matière de haute technologie », explique le Dr Christoph Wulf, chef de groupe au Centre technique de transfert LIKAT.
Le successeur d’InnoSyn
Tout comme le procédé classique, la méthode moderne se déroule dans des réacteurs dits «à colonne à bulles», mais dans des conditions de réaction bien plus douces. Dans de longs tubes verticaux, toutes les substances impliquées traversent un liquide visqueux de bas en haut : d’une part, les « bulles », c’est-à-dire les matières premières gazeuses que sont le CO₂, l’H₂ et, par la suite, le monoxyde de carbone (CO). D’autre part, on trouve tous les produits intermédiaires et finaux liquides, ainsi que le catalyseur sous forme de fines billes à base d’oxyde de fer.
Ce catalyseur a été développé dans le cadre du projet de consortium InnoSyn, financé par l’État fédéral — qui s’inscrit dans l’initiative « République allemande de l’hydrogène » —, en association avec un modèle d’IA pour le CO₂-FTS, sous la direction du Dr David Linke, chimiste au LIKAT (voir également https://idw-online.de/de/news851343). Des partenaires de l’Institut Engler-Bunte de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont démontré la faisabilité de ce procédé dans un système de réacteur multiphase à l’échelle du gramme. Dans le cadre d’un projet de suivi, « Green Fuel and Chemicals », le procédé doit désormais être préparé en vue d’une application industrielle. Cela comprend une démonstration à l’échelle du kilogramme dans une usine pilote sur le site viennois de la société Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH (BEST). Plusieurs kilogrammes de CO₂ y seront transformés en carburants et produits chimiques durables d’ici début 2027.
Formulation de catalyseurs pour la mise à l’échelle
Lorsque de nouveaux catalyseurs sortent du laboratoire de recherche, ils ne fonctionnent généralement qu’à des doses de quelques milligrammes seulement. Pour passer à une échelle supérieure — comme l’appellent les chimistes —, c’est-à-dire à des échelles de plusieurs kilogrammes et des volumes de solution pouvant atteindre 100 litres, le catalyseur nécessite une formulation différente. L’objectif de cette nouvelle collaboration de recherche était de trouver l’approche appropriée. Le Dr Christoph Wulf et le Dr Simon Haida se sont chargés de cette tâche au Centre technique de transfert LIKAT.
Comme l’expliquent les deux chimistes, cela impliquait également de mettre au point une technologie de production pratique pour le catalyseur. Le catalyseur destiné à la nouvelle synthèse de Fischer-Tropsch est formé à partir de sels métalliques au cours d’une réaction de précipitation, produisant un « gâteau » rouge rouille d’oxyde de fer — une sorte de pâte qui est ensuite séchée par atomisation et traitée thermiquement. On obtient ainsi des particules de forme sphérique pratiquement parfaite. Les billes varient en taille et doivent donc être fractionnées, c’est-à-dire triées par taille.
La taille des particules détermine leur fonction
« Le nœud du problème réside dans le fait que le comportement d’un catalyseur ne peut être prédit à grande échelle », explique Simon Haida. Agiter et mélanger soigneusement une solution de 100 millilitres peut sembler simple. « À une échelle de 50 litres, le traitement spécifique — en particulier la filtration, qui sépare le produit brut de la solution réactionnelle — représente un véritable défi. » Cela nécessite des expériences systématiques au cours desquelles les volumes réactionnels sont progressivement augmentés.
Ces travaux ont été menés en étroite collaboration avec le Dr Aleksandr Fedorov, chimiste au LIKAT, qui avait initialement mis au point le catalyseur. À chaque nouvelle étape, il réajustait le catalyseur et testait ses performances. Les chimistes devaient ensuite planifier l’équipement nécessaire à l’étape suivante.
C’est ainsi qu’ils sont passés d’un lot de quelques millilitres à 50 litres, une quantité suffisante pour alimenter des installations pilotes. L’une des conclusions tirées de ces expériences est que la taille des particules influence considérablement les performances du catalyseur. Le Dr Wulf : « Les billes d’oxyde de fer ne doivent pas être trop grosses afin de pouvoir continuer à flotter — pour ainsi dire — dans le réacteur à colonne à bulles qui suit. En revanche, si elles sont trop petites, elles s’agglomèrent et obstruent le filtre à la sortie du réacteur, voire se retrouvent dans le produit et le contaminent. »
Une installation pilote permet la mise à l’échelle
Le LIKAT est l’un des premiers instituts scientifiques en Allemagne capable de produire de nouveaux catalyseurs à l’échelle pilote pour ses recherches. Si d’autres instituts disposent certes d’installations pilotes pour tester des catalyseurs, Christoph Wulf précise : « Mais ils ne disposent pas des équipements nécessaires pour produire les substances d’essai à l’échelle requise. » Au LIKAT, l’installation technique Catalysis2Scale est désormais parfaitement équipée en instruments et en matériel grâce à des projets subventionnés et à des collaborations de recherche. Avec les dix premiers kilogrammes de leur catalyseur à base d’oxyde de fer destiné à la nouvelle synthèse de Fischer-Tropsch, le Dr Wulf et le Dr Haida souhaitent désormais attirer l’attention de partenaires de recherche potentiels sur cette opportunité.
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