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DECRYPTAGE - L'OEIL DE L'EXPERT

Carburants de synthèse : une solution pour la mobilité durable ?


Les carburants de synthèse ou e-carburants suscitent un intérêt grandissant pour accompagner la transition énergétique et limiter les émissions nettes de CO2 dans le secteur des transports, et plus particulièrement dans le secteur aérien. Pourquoi ? Comment ? Décryptage par Sylvain Nizou, Chef de programme adjoint Economie circulaire du carbone au CEA.


Publié le 21 octobre 2021

Qu’est-ce qu’un carburant de synthèse ?

Les carburants de synthèse, aussi appelés e-carburants (e-fuels) pour électro-carburants, sont des carburants produits sans pétrole ni biomasse, mais à partir de CO2 et d’électricité bas-carbone. Contrairement aux carburants issus de ressources fossiles, tels que l’essence, le kérosène ou encore le gasoil, les e-carburants s’inscrivent dans une approche circulaire dans laquelle le CO2 émis lors de la combustion du carburant est aussi utilisé pour synthétiser ce dernier. Le CO2 est considéré ici comme une matière première et non comme un déchet. Il peut être collecté sous une forme concentrée auprès des activités industrielles (cimenteries, aciéries, chimistes) ou de transformation de la biomasse et des déchets (incinérateurs, méthaniseurs, fermenteurs). Il peut aussi être directement capté dans l’atmosphère par des procédés de Direct Air Capture (DAC)1, mais sa faible concentration dans l’air rend ces procédés gourmands en énergie, incitant à privilégier en priorité les sources de CO2 concentrées.

1La DAC est un procédé qui consiste à extraire le CO2 de l’air ambiant. 

Comment le fabrique-t-on ?

Le CO2 étant une molécule stable et dépourvue d’énergie, il est nécessaire de le transformer au moyen d’une source d’énergie. Si de l’électricité est directement utilisée, on parle de procédé d’électro-réduction du CO2 mais les technologies les plus matures reposent d’abord sur une électrolyse de l’eau permettant de produire de l’hydrogène bas-carbone, qui est ensuite combiné au CO2, dans un réacteur thermocatalytique2, de manière à produire un carburant. Pour que ces carburants de synthèse deviennent intéressants du point de vue de leur empreinte carbone, il faut en effet veiller à les produire à partir de sources d’énergies bas-carbone, qu’elles soient d’origine nucléaire ou renouvelable.

La transformation du CO2 en e-carburants peut servir à produire une variété de composés utiles, selon la nature des procédés mis en jeu. Le méthane est accessible par hydrogénation du CO2 et cette réaction, dite de Sabatier (lauréat du prix Nobel de chimie en 1912), permet de fournir un carburant alternatif au gaz naturel pour véhicule (GNV) d’origine fossile. Selon la nature des procédés mis en jeu dans la conversion du CO2, il est également possible d’accéder à des composés liquides et particulièrement denses en énergie, tels que des alcools – et en premier lieu le méthanol – ou encore des hydrocarbures, tels que le gasoil ou le kérosène. Cette conversion de l’énergie électrique en énergie chimique, sous une forme gazeuse ou liquide, est appelée Power to X (Power to Gas ou Power to Liquid) et fait partie de la stratégie plus générale de capture et valorisation du carbone (CVC) ou CCU (Carbon Capture & Utilization).

2Type de réaction qui se réalise à des températures élevées (> 200°C) et en présence d’un catalyseur. Dans ce cas précis, elle permet la réduction chimique du CO2 en présence d’hydrogène pour former des molécules énergétiques (hydrocarbures, molécules chimiques) contenant C carbone et H hydrogène.

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Plateforme Conversion du Carbone. Réacteurs échangeurs pour production de méthane ou de carburant © D. Guillaudin / CEA

Quels sont les bénéfices de ces carburants de synthèse ?

Issus du sous-sol, le pétrole et ses dérivés fossiles présentent des impuretés importantes en soufre et en azote qui doivent être éliminées lors du raffinage en carburant, pour limiter les émissions problématiques de polluants. Sur le plan environnemental, un avantage majeur des e-carburants est d’éliminer cette problématique en utilisant le CO2 et l’eau comme seules sources de matières.

Quelle que soit l’origine du CO2 employé pour leur synthèse (fossile, biologique ou atmosphérique), les e-carburants se caractérisent de plus par une empreinte carbone réduite sur tout leur cycle de fabrication d’au moins 70 %3 par rapport aux carburants pétroliers. Ils représentent donc une alternative sérieuse et efficace pour la réduction des émissions du transport. Les carburants de synthèse peuvent en effet se substituer directement aux carburants pétroliers. Sans mobiliser de ressources fossiles comme le gaz ou le pétrole, ils bénéficient pourtant des mêmes qualités sur le plan énergétique. Ils sont désormais reconnus par l’Europe (ambition « Fit for 55 » de juillet 2021 de la commission européenne ) comme une solution complémentaire à déployer pour la décarbonation des transports. Par cette démarche, l’utilisation du CO2 associée à une énergie bas-carbone évite donc l’extraction de ressources fossiles, comme le pétrole, pour maintenir durablement des services énergétiques et économiques utiles, dans une approche d’économie circulaire du carbone.

3Taux de réduction des émissions de gaz à effet de serre minimum fixé par directive européenne sur les énergies renouvelables RED II pour obtenir le statut d’e-carburant.

Pour quels secteurs du transport les e-carburants représentent-ils une solution transitoire ou durable de décarbonation ?

Les carburants de synthèse ont l’avantage de pouvoir être employés sur des systèmes de motorisation à combustion déjà existants : nos moteurs thermiques. Ils peuvent ainsi représenter une solution transitoire pour les filières disposant à terme d’alternatives à la motorisation thermique mais peuvent aussi devenir une solution durable pour les filières ne disposant pas d’autres alternatives pour réduire leurs émissions de CO2. Certains secteurs de la mobilité comme les véhicules légers et particuliers bénéficient déjà de moyens de décarbonation efficaces tels que l’électrification de la mobilité légère, par exemple. En revanche, d’autres secteurs tels que la mobilité lourde et longue distance (terrestre, maritime, aérienne), pourront difficilement se décarboner par l’électrification ou l’hydrogène voire nécessiteront 10 à 20 ans pour adapter leurs motorisations et les infrastructures de recharge. Ce sont ces secteurs qui doivent pouvoir bénéficier en priorité des carburants de synthèse, en complément des biocarburants. L’objectif n’est donc pas de concurrencer l’électricité ou l’hydrogène et d’alimenter nos voitures aux e-fuels mais bien de proposer une solution bas-carbone durable pour les secteurs qui ne pourront pas transitoirement ou durablement adopter d’autres stratégies de décarbonation.

Les e-carburants viennent ainsi répondre en priorité aux besoins du secteur aéronautique, qui dispose pour sa décarbonation de très peu d’alternatives au kérosène, en particulier sur les appareils long-courriers. En effet, l’hydrogène ou l’électricité ne peuvent pas être des alternatives encore envisageables pour ce type d’usage, car elles imposeraient d’opérer d’importantes modifications de toute l’infrastructure d’acheminement de l’énergie (électrique et/ou hydrogène), de la motorisation, de la conception des réservoirs et des avions. Avec l’hydrogène ou l’électricité, la quantité d’énergie embarquée dans le réservoir est moindre qu’avec du kérosène. Conséquence, pour parcourir la même distance, les réservoirs d’énergie (batterie ou hydrogène) occupent un volume au minimum 3 à 4 fois supérieur aux réservoirs de kérosène. Avec le kérosène de synthèse, il n’est pas nécessaire de changer intégralement les flottes d’avions long-courriers, car il s’agit de la même molécule produite différemment. Les constructeurs des secteurs du transport maritime longue distance et du transport routier sont également intéressés par ces carburants de synthèse. Là aussi, il n’est pas nécessaire de changer les systèmes de motorisation (moteurs électriques et/ou piles à combustible) additionné de nouvelles infrastructures de recharge coûteuses puisque l’ambition est de proposer un carburant identique à du diesel ou du fuel lourd sur le plan énergétique mais avec un impact environnemental très réduit.

Pourquoi ne roule-t-on pas déjà avec ces carburants et quels sont leurs inconvénients ?

Le revers de ces e-carburants c’est bien sûr le besoin énergétique qu’ils occasionnent pour leur production. Tandis que le pétrole et la biomasse sont des composés énergétiques, les e-carburants, produits à partir de CO2, vont solliciter fortement la production d’électricité bas-carbone pour la fabrication d’hydrogène ou l’électro-réduction directe du CO2. Il convient donc d’anticiper ces besoins massifs en électricité dans les scénarios énergétiques, et de clairement afficher auprès des filières électricité et hydrogène le rôle complémentaire et les besoins des e-carburants. Si ces besoins sont efficacement planifiés et anticipés, la France, qui dispose d’un des mix électriques les moins carbonés au monde, se présente comme un potentiel leader du secteur. En effet, l’intensité carbone d’un carburant de synthèse est très dépendante de celle de l’électricité. Ainsi, la production massive d’e-carburants en France pourrait présenter à la fois une opportunité sur le plan de la souveraineté énergétique du territoire mais aussi au service de nos exportations avec la mise en avant d’un bilan carbone des carburants français meilleur que ceux produits dans des pays où l’électricité est plus carbonée. Substituts désormais reconnus par l’Europe comme nécessaires et complémentaires aux autres vecteurs énergétiques pour la mobilité lourde et longue-distance, les e-carburants devront néanmoins relever des défis à la fois technologiques mais aussi politiques et réglementaires pour anticiper les besoins d’électricité bas-carbone et encourager les industries à miser sur ces stratégies favorables à une réduction de leurs émissions directes et indirectes de CO2. Le programme Economie Circulaire du Carbone du CEA accompagne dans cette optique les équipes de recherche (CEA, CNRS, INRAE, Universités Paris-Saclay, Grenoble Alpes et Aix-Marseille) pour réaliser les ruptures scientifiques et technologiques nécessaires à l’émergence d’e-carburants compétitifs et accompagner nos partenaires industriels.

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