L’économie circulaire du carbone désigne les technologies permettant la conversion du carbone issu du CO₂ et de la biomasse pour produire des carburants et molécules carbonées durables utiles dans les secteurs des transports longue distance (aérien et maritime), de la chimie ou encore de la chaleur industrielle, à partir d'énergie bas carbone (nucléaires et renouvelables) et, avec des impacts environnementaux et sociétaux favorables. Les recherches du CEA dans ce domaine contribuent à atteindre l’objectif de neutralité carbone pour 2050 inscrit dans la loi française. Le CEA s’intéresse ainsi à l’ensemble des technologies de transformation du dioxyde de carbone et de ses dérivés en produits synthétiques à partir d’énergie bas carbone dans une approche d'économie circulaire pour les secteurs qui ne peuvent être décarbonés. 

L’objectif de neutralité carbone inscrit dans la loi française, vise une réduction des émissions de CO₂ en France à 80 MtCO2eq en 2050 contre 445 MtCO2eq émises en 2018. Or une partie de ces émissions, liée à l’utilisation de ressources carbonées fossiles dans les secteurs du transport longue distance (carburants pour l’aviation et le maritime), de l’industrie (carburants pour la production de chaleur) et de la chimie (production de plastiques, de produits agrochimiques, de solvants), ne peut être évitée. En effet, certains de ces secteurs nécessitent l’utilisation de molécules énergétiques carbonées (notamment pour des questions de densité d’énergie) et ne peuvent donc pas être électrifiés, alors que d’autres reposent sur la production de molécules d’intérêt nécessairement carbonées (chimie). Pour ces secteurs, on recherche alors des solutions de défossilisation plutôt que de décarbonation. C’est dans ce contexte que s’inscrit la mise en place d’une économie circulaire du carbone, qui a pour objectif devaloriser le carbone issu du CO₂ et de la biomasse en substitution au carbone issu de l’extraction des ressources fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon). L’économie circulaire du carbone regroupe l’ensemble des technologies de transformation du CO₂ et de la biomasse en produits synthétiques utiles, à partir d’énergie bas carbone (nucléaire et renouvelables), visant à atteindre ainsi une neutralité carbone avec un impact environnemental et sociétal favorable.

Les recherches du CEA dédiées à ces thématiques visent à relever les défis scientifiques et techniques associés aux enjeux de l'économie circulaire du carbone. Le CEA explore quatre
axes principaux : 

valoriser

Valoriser le CO2 industriel et atmosphérique

Les approches de captage et utilisation du CO₂ (en anglais Carbon Capture & Utilization, CCU) constituent le socle des recherches du CEA sur l’économie circulaire du carbone. Elles se focalisent sur le développement de technologies capables de valoriser le CO₂ industriel, c’est-à-dire capté dans les fumées d’usine (aciérie, cimenterie, chimie, centrale de combustion de biomasse et déchets, etc.), ou ultérieurement atmosphérique, c'est-à-dire directement capté dans l'air pour produire des molécules utiles tels que des carburants de synthèse liquides ou gazeux, et des précurseurs carbonés pour la chimie, en utilisant des sources d’énergies bas-carbone (nucléaire ou renouvelables).

Produire des carburants durables : e-carburants et biocarburants

Les carburants dits durables sont les carburants produits dans une approche d’économie circulaire du carbone. Si le carbone est issu de CO₂, on parle alors de carburant de synthèse (e-carburant quand il est produit à partir d’électricité bas carbone). Si le carbone est issu de la biomasse on parle alors de biocarburant. Ces carburants doivent permettre une réduction des émissions de CO₂ d’au moins 70 % par rapport à leur équivalent d’origine fossile.

Produire des carburants à partir de CO₂ et d’H₂

Le principe d’un combustible ou carburant de synthèse, encore appelé électro-carburant (e-fuel en anglais) ou électrocarburant, est de fabriquer un carburant à partir d’électricité et de CO₂. La première étape consiste à produire de l’hydrogène bas carbone par électrolyse de l’eau à partir d’électricité d’origine nucléaire et/ou renouvelable. On fait ensuite réagir cet hydrogène bas carbone avec du CO₂ capté soit dans les fumées d'une usine soit directement dans l’atmosphère. Cette réaction chimique « thermocatalytique » réalisée dans des réacteurs développés au CEA-Liten permet de convertir l’hydrogène et le carbone en molécules d’intérêt. Elles peuvent être gazeuses , par exemple le e-méthane via un réacteur de méthanation, ou liquides, par exemple le e-kérosène, obtenu par voie Fischer-Tropsch ou Methanol-to-Jet, utilisables en substitution aux carburants fossiles.  C’est ce que l’on appelle respectivement le power-to-gas et le power-to-liquid. 

Les équipes du CEA possèdent de solides compétences dans la conception des réacteurs et une expertise sur les  procédés de thermocatalyse permettant de faire réagir le CO₂ et l’hydrogène sous pression et température, pour la production du méthane et d'autres molécules carbonées.

Préparer et convertir la biomasse pour faire des biocarburants

Les résidus de biomasse (forme sèche ou humide) et les déchets sont une source concentrée de carbone et d’énergie renouvelable intéressante à considérer comme ressources dans l’économie circulaire du carbone. Cette biomasse peut être convertie par des procédés dits de thermoconversion soit directement en molécule exploitable et injectable sur un réseau comme le biométhane soit en molécules intermédiaires qui vont ensuite être utilisées par les voies power-to-gas /liquid. Par exemple, la biomasse peut être convertie, grâce à un procédé de gazéification, en gaz de synthèse (mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone (CO)) que l’on injecte dans les réacteurs thermocatalytiques. On procède ainsi à l’hydrogénation du CO pour former un gaz ou un liquide

Le CEA développe différents procédés tels que la torréfaction, la gazéification et divers procédés hydrothermaux afin de valoriser biomasse et déchets, qu’ils se présentent sous forme sèche (résidus agricoles ou forestiers, déchets solides, …) ou humide (microalgues, boues de stations d’épuration ou effluents agro-industriels, …).

Pour améliorer le rendement matière de la biomasse (taux de conversion de carbone), il est intéressant d’ajouter de l’hydrogène au syngaz produit par pyrogazéification : on parle alors de « e-biocarburant ».

Produire des carburants solaires, génération future des carburants de synthèse

Exploiter directement l’énergie solaire pour produire de l’hydrogène ou des molécules carbonées d’intérêt, sans production intermédiaire d’électricité, grâce à la photosynthèse artificielle : tel est l’enjeu des carburants solaires. Les équipes du CEA s’inspirent notamment du fonctionnement d’enzymes naturelles, telles que les hydrogénases, pour concevoir des catalyseurs alternatifs pour la production d’hydrogène. Elles ont ainsi mis au point un dispositif complet : une cellule « photo-électrocatalytique », produisant de l’hydrogène à partir d’eau et de lumière, ce qui a donné lieu à la réalisation de première cellule photo-électrochimique bio-inspirée française, en 2019. Ces stratégies, pour certaines, permettent la synthèse d’hydrogène mais également de molécules carbonées telles que le méthane, le méthanol, le monoxyde de carbone, ou autres molécules de base pour les secteurs de l’énergie et la chimie.

Les objectifs des recherches du CEA dans ce domaine consistent à améliorer le rendement de cette conversion de l’énergie solaire en énergie chimique en développant notamment de nouveaux matériaux et des catalyseurs innovants. Leur conception doit limiter l’utilisation des éléments rares ou critiques, laissant progressivement la place à des métaux abondants et moins coûteux pour garantir une industrialisation à grande échelle de ces technologies. Ces recherches s’appuient aussi sur des outils de modélisation, qui permettent d’imaginer les configurations les plus réalistes pour les choix de catalyseurs dédiés à ces applications et d’aider à la compréhension des mécanismes fondamentaux de ces réactions afin d’optimiser leur rendement.

biocarburants

Développer des biocarburants de 3^e génération 

Les biocarburants de 3^e génération sont intéressants car ils ont la spécificité de ne pas exploiter la biomasse agricole ou forestière mais des microalgues cultivées à cet effet afin d’en extraire les lipides (huiles) qu’elles contiennent ou un brut obtenu par liquéfaction hydrothermale (procédé de thermoconversion de la biomasse humide) qu’il faudra ensuite raffiner pour obtenir les biocarburants. A titre d'exemple, le rendement de production des huiles microalgales par hectare de culture est supérieur à celui obtenu dans les cultures oléagineuses traditionnelles (palme, colza). Pendant leur croissance, les microalgues absorbent de grandes quantités de CO₂ (sans avoir besoin de le capter et de le purifier au préalable) et d’énergie solaire qu’elles convertissent en biomasse et en lipides.

Les équipes du CEA recherchent de nouvelles souches de microalgues toujours plus productives et plus gourmandes en CO₂ et optimisent les milieux et procédés de culture pour rendre ces biocarburants compétitifs, par exemple au travers des travaux réalisés dans le cadre du projet européen SUNFUSION. Pour le moment, les étapes de culture, de récolte, d’extraction et de conversion de lipides sont plus coûteuses que les carburants pétroliers.

Néanmoins, les équipes du CEA progressent en améliorant régulièrement la productivité des microalgues. Elles ont également découvert une enzyme prometteuse, la FAP (pour Fatty Acid Photodecarboxylase) qui permet aux microalgues de transformer certains de leurs lipides directement en hydrocarbures, possiblement volatils – ce qui pourrait contribuer à accélérer l’arrivée de ces carburants alternatifs sur le marché en réduisant le nombre d’étapes industrielles de raffinage.

Une autre piste suivie est celle de l’ingénierie biologique des microorganismes pour la production de molécules carbonées d’intérêt. En effet, d’autres microorganismes que les microalgues (bactéries, archées…) ayant la capacité de fixer le CO₂, sont capables de produire des molécules énergétiques.

Une équipe du CEA-Genoscope travaille par exemple sur l’ingénierie d'une souche microbienne (Escherichia coli) utilisant l'acide formique comme seule source de carbone et d'énergie et qui croît à des concentrations ambiantes de CO₂. Ces travaux, réalisés en collaboration avec le Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, constituent un pas important pour disposer de souches de bioproduction intégrées dans une économie circulaire du carbone.

Par ailleurs, les archées sont étudiées au CEA-IRIG pour leurs propriétés biocatalytiques au service de la production de méthane à partir de CO₂ et d’hydrogène. Il s’agit là d’un procédé de bio-méthanation, approche alternative aux stratégies de méthanation thermocatalytiques.

Enfin, le CEA travaille également sur des approches hybrides, couplant différentes technologies. Un exemple de ces travaux est le démonstrateur EASI-Fuel : mis au point par le CEA, ce dispositif intégré et autonome convertit l’énergie solaire, l’eau et le CO₂ en méthane. Finaliste en 2022 du concours de l’European Innovation Council « Horizon Prize : Fuel from the Sun », il intègre un bioréacteur de méthanation  utilisant des archées pour convertir le CO₂ et l’H₂, l’hydrogène étant issu de la photoélectrolyse de l’eau. Conformément aux attentes, le dispositif a pu produire du méthane pendant 72 h, avec pour seules ressources l’énergie solaire, le CO₂ et l’eau. Ce démonstrateur est maintenant un outil de choix pour tester des briques et technologies pour la photosynthèse artificielle et les carburants solaires.  

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