Plateforme de synthèse du méthanol et de ses dérivés à partir de sources renouvelables
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En utilisant le CO₂ comme seule source de carbone, une installation pilote située au centre technique LIKAT « Catalysis2Sacle » à Rostock produit du méthanol, un produit chimique de base, ainsi que des dérivés sous la forme de deux carburants synthétiques. Cette installation de démonstration montre comment des processus chimiques fondamentaux fonctionnent avec des matières premières exclusivement renouvelables et peuvent être combinés de manière judicieuse pour former des chaînes de production. Elle s'inscrit dans le cadre d'un effort mondial mené par les experts pour extraire le dioxyde de carbone (CO₂), nocif pour le climat, des flux d'émissions de la civilisation et le valoriser en tant que matière première. Le développement de l'installation a été financé par le ministère fédéral allemand du Numérique et des Transports.
L'hydrogène issu de l'électrolyse réagit avec le CO₂ soit en présence d'H₂ supplémentaire pour former du monoxyde de carbone, qui est ensuite transformé en gaz de synthèse puis en méthanol, soit directement avec le CO₂ pour former du méthanol. Celui-ci réagit alors pour former soit du MeFo, soit du DMC.
Copyright: LIKAT
L’objectif du projet baptisé SuME (Sustainable Mobility Enabler) était la production de deux représentants « d’une nouvelle génération de carburants », comme l’indique le site web officiel du projet : le formiate de méthyle (MeFo) et le carbonate de diméthyle (DMC). « Ces deux composés sont produits de manière neutre en CO₂, ils sont pratiquement exempts de substances nocives et leur indice d’octane est similaire à celui des substances conventionnelles », explique le coordinateur du projet SuME, le Dr Sebastian Wohlrab. Le DMC sert en outre d’électrolyte dans le domaine de la mobilité électrique.
Du carbone issu entièrement du CO₂
À l’Institut Leibniz de catalyse, Sebastian Wohlrab dirige une équipe de recherche composée de quatre personnes qui, en collaboration avec des partenaires, a mis au point et mis en service l’installation pilote en trois ans et demi. L’installation fonctionne en continu avec un rendement maximal d’un litre par heure. Le projet a bénéficié d’une subvention de 7,11 millions d’euros. « Nos produits cibles contiennent du carbone comme élément central, à l’instar de tant d’autres matières premières chimiques importantes », explique Sebastian Wohlrab. Le point fort : contrairement à ce qui est habituel en chimie, ce carbone ne provient pas du pétrole, du gaz ou du charbon, mais entièrement du CO₂. Les sources de ce CO₂ sont notamment les gaz résiduaires issus de la production de ciment ou de biogaz, ou encore le dioxyde de carbone présent dans l’air. Les autres matières premières utilisées pour la production de méthanol ainsi que pour les deux carburants DMC et MeFo, à savoir l’hydrogène et l’oxygène, proviennent également de sources durables.
Des voies alternatives en chimie
Le méthanol, dont la formule moléculaire est CH₃OH, est la molécule la plus simple du groupe des alcools et, avec une production annuelle de 112 millions de tonnes (2024), il compte parmi les produits chimiques de base les plus importants de l’industrie mondiale. Il est produit à grande échelle à partir de gaz de synthèse, un mélange de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène (H₂) d’origine fossile. La transition de la synthèse du méthanol vers des matières premières renouvelables constitue un objectif de recherche à long terme à l’échelle mondiale. Au LIKAT et dans d’autres laboratoires de pointe, des premières solutions ont été mises au point à cet effet, dont certaines sont déjà testées à l’échelle pilote. L'installation de Rostock combine désormais un procédé alternatif de production de méthanol avec des voies de réaction tout aussi durables pour les produits dérivés, le tout dans un processus de fabrication en continu. Le Dr Wohlrab explique : « À partir de cette plateforme de synthèse, il est possible d'explorer l'ensemble de la chimie dérivée du méthanol dans le cadre de réactions alternatives. » Outre les deux composés oxygénés C1 que sont le MoFe et le DMC, son équipe de recherche vise d’autres produits cibles, tels que le kérosène et des hydrocarbures supérieurs, comme les alcanes à longue chaîne et les oléfines.
Voici comment fonctionne l’installation SuME
Dans le hall technique du LIKAT, l’installation pilote attire immédiatement le regard : réacteurs, pompes, régulateurs, systèmes de pression, le tout imposant et entouré de tuyauteries ainsi que d’un boîtier protecteur en plexiglas. Le schéma de flux, un document de 160 pages, peut être décrit en gros comme suit : un électrolyseur décompose d’abord l’eau en hydrogène (H₂) et en oxygène (O₂). L’électricité nécessaire à cette opération est injectée dans le réseau à partir de l’installation photovoltaïque du centre technique du LIKAT. L’hydrogène est ensuite traité de deux manières différentes. Dans une variante, il réagit avec le CO₂ pour former du monoxyde de carbone (CO), qui, avec un apport supplémentaire d’H₂, est pratiquement transformé en gaz de synthèse, à partir duquel on obtient à son tour du méthanol. Ce procédé est similaire à celui utilisé à grande échelle, mais sans aucune matière première fossile. Dans la deuxième variante, l’H₂ est ajouté au CO₂, qui réagit alors directement pour former du méthanol, avec de l’eau comme sous-produit. Le méthanol est ensuite traité selon deux filières de production : soit il est converti en MeFo avec libération d’H₂, soit il réagit avec du CO et de l’oxygène pour former du DMC.
La chimie du CO₂, un défi de taille
La chimie du CO₂ est en vogue, mais elle est exigeante, car ce gaz à effet de serre est extrêmement inerte. Cela représente un défi majeur, notamment pour le développement de catalyseurs, le domaine de prédilection du LIKAT, qui dispose d’une expertise et d’un savoir-faire reconnus en matière de synthèse du méthanol. Cela peut paraître étonnant, mais comme l’explique le Dr Wohlrab, les catalyseurs cuivre-zinc, tels que ceux utilisés par l’industrie pour la production de méthanol à partir de gaz de synthèse fossile, conviennent à l’activation des molécules de CO₂ en vue de la fabrication de méthanol. Cependant, ces catalyseurs perdent leur efficacité au contact de l’eau, ce qui est inévitable dans cette réaction alternative. Il y a quatre ans, le LIKAT a réussi à synthétiser un catalyseur présentant une plus grande stabilité, « de composition similaire, mais dont la microstructure et la structure de surface ont été profondément modifiées », comme l’explique Sebastian Wohlrab. C’est à cette époque qu’est également née l’idée de développer une plateforme de synthèse du méthanol au sein du centre technique du LIKAT, qui venait d’ouvrir ses portes, et de se mettre en quête de financements et de personnel de recherche.
Partenaires du projet et thèmes actuels
Parmi les partenaires du projet figuraient l’Université technique de Freiberg (TU Bergakademie Freiberg) et l’institut Fraunhofer IKTS de Dresde, ainsi que les entreprises EnProCo Berlin et HydroExeed. Depuis, l’équipe du projet SuME a acquis de nombreuses connaissances sur l’influence de l’eau et d’autres composants réactionnels sur le processus catalytique et a pu perfectionner le catalyseur cuivre-zinc. Actuellement, les chimistes s’attachent à déterminer laquelle des deux voies de réaction menant au méthanol est la plus rentable : celle passant par le CO₂ puis le CO, ou celle partant directement du CO₂.
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