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Valorisation chimique du CO2 : quelles opportunités de développement pour une filière qui tarde à s’industrialiser ?

11 Mai. 20

ENEA Consulting, cabinet de conseil en stratégie spécialisé dans la transition énergétique, réalisait en 2014 en collaboration avec EReIE, start-up spécialisée sur la valorisation innovante des gaz, un état des lieux sur la valorisation chimique du CO2 pour le compte de l’ADEME. Cette étude avait alors permis de mener une évaluation économique et une quantification des bénéfices énergétiques et environnementaux pour trois voies de valorisation chimique d’intérêt. 6 ans plus tard, comment les conclusions de cette étude ont évolué ? quelles sont les perspectives 2020-2030 des filières de valorisation chimique du CO2 ? Sebastian Escagües, manager au sein d’ENEA Consulting, nous répond.

En quoi consiste la valorisation chimique du CO2 ?
Les grandes routes de valorisation chimiques du CO2 reposent sur la synthèse de molécules à valeur ajoutée en partant d’une molécule thermodynamiquement stable. Cette synthèse s’obtient soit par ajout de nouvelles liaisons covalentes (synthèse organique, minéralisation) où l’énergie est apportée par les autres réactifs, soit par réduction du CO2 vers des états plus riches en énergie avec le plus souvent ajout d’hydrogène (méthanol, syngaz, méthanol et carburants de synthèse) ; dans tous les cas, un apport d’énergie est nécessaire pour casser les liaisons C-O, par le biais d’énergie électrique, thermique ou phototonique.

Les grandes routes de valorisation chimiques du CO2 reposent sur la synthèse de molécules à valeur ajoutée (hydrocarbures ou dérivés) en partant d’une molécule thermodynamiquement stable. On distingue deux principaux axes réactionnels pour cette conversion. D’un côté, la réduction du CO2, le plus souvent par ajout d’hydrogène permet d’obtenir des molécules avec des états plus riches en énergie (méthanol, syngas, méthane). De l’autre, la fonctionnalisation passe par la formation de nouvelles liaisons covalentes (C-C, C-N, C-O) permettant l’obtention de molécule plus complexe (minéralisation en carbonate, production d’urée, synthèse organique, etc.). On retrouve ces deux axes combinés pour la formation de chaînes complexes d’hydrocarbures (conversion du CO2 et de l’hydrogène en chaînes CnHm). Compte tenu de la stabilité chimique du CO2, un apport d’énergie est nécessaire pour casser les liaisons C-O, soit fourni par un réactif chimique, soit par le biais d’énergie électrique, thermique ou phototonique.

Quel panorama dressez-vous pour les technologies de valorisation du CO2 ?
Il y a un intérêt très fort pour le sujet des CCUS (Carbon Capture, Utilization, and Storage). Plus particulièrement sur le sujet des technologies de valorisation chimique, un certain nombre d’acteurs des secteurs de l’énergie (oil & gas) et de la chimie se positionnent, comme Linde, Air Liquide ou encore BASF, en collaboration avec de nombreuses start-ups issues de la recherche académique. La France n’est pas la mieux placée face aux géants industriels allemands, américains ou japonais, mais tire son épingle du jeu grâce à son très bon niveau académique.

De fait, comment expliquer que ces technologies ne se développent pas plus ?
La valorisation chimique, comme les autres voies des CCUS doivent répondre à trois défis, qui peuvent le plus souvent s’analyser aussi comme des freins à leur développement :

Le premier défi concerne la performance technique des technologies. La plupart sont des process innovants, leurs rendements et leur bilan énergétique ne sont donc pas optimisés. Cette performance pourra s’améliorer avec la sortie de démonstrateurs, puis de scale-up de la technologie, mais cela prend du temps.

Le second défi concerne la performance économique des technologies. Etant innovante, leur développement nécessite de forts CAPEX qui peuvent être dissuasifs. De plus, la chimie du CO2 nécessite bien souvent de l’H2, produit par électrolyse de l’eau pour être pertinent, et qui coute plus cher que l’H2 classique produit par vaporeformage de gaz naturel, bien que l’écart tende à se resserrer, il est donc rare que les produits chimiques issus du CO2 soient compétitifs par rapport aux modes de production conventionnels.

Le dernier défi concerne l’émergence conjointe d’un marché pour le CO2 et pour ses produits de valorisation. D’un côté, il est nécessaire d’avoir en amont de gros volumes de CO2 filtrable et purifiable à disposition, plus diffus en France qu’en Allemagne. De l’autre, les produits chimiques à substituer doivent avoir des tonnages annuels suffisamment importants pour absorber de grande quantité de CO2.

Au regard de ces enjeux, quels sont les productions qui vous semblent les plus prometteuses ?
Il y en a plusieurs, par ordre de maturité :
La production de méthanol par hydrogénation du CO2, qui peut être valorisé en tant que carburant vert pour alimenter des véhicules ou comme matières premières pour l’industrie chimique. Des démonstrateurs sont déjà existants (Carbon Recycling International en Islande, méthanex), et des entreprises s’y intéressent de près (Volvo, Mitsubishi, Etogas). De gros projets devraient sortir dans les 5 ans.

Le Concrete curing (durcissement du béton), qui consiste à utiliser le ciment en substitution de la vapeur d’eau comme agent de prise du béton. Cette technologie est a vu, dans les dernières années, des progrès importants en termes de maturité. Elle possède l’avantage de pouvoir inclure du CO2 peu épuré. Quelques entreprises sont positionnées sur cette question (Solidia, Carbonstone, Lafarge), et l’évolution des réglementations devrait permettre une montée en puissance de ce sujet.

La production d’acide formique par électro-réduction, qui possède des résultats très intéressants, avec une technologie mature et des productions déjà compétitives. Le marché de l’acide formique, bien que mondial, n’est cependant pas très conséquent (3Mt de CO2 valorisable par an)

La production de biocarburants par la réaction de Fischer Tropsch (catalyse du CO et H2) qui devrait se développer dans l’avenir, la société allemande Sunfire développe actuellement un démonstrateur de co-électrolyse de 10 MW.

La production de Polyols de polycarbonates, encore à l’étude, qui permettrait de produire des bioplastiques.

La méthanation, qui permet de produire du gaz naturel (CH4) à partir de CO2 et d’H2. Cette technologie est très prometteuse pour le développement de gaz verts, mais reste encore chère; des démonstrateurs se voient le jour actuellement avec les projets Minerve à Nantes ou Jupiter 1000 à Fos-sur-Mer ; un développement industriel d’ampleur peut être envisagé à horizon 2030.

Quelles mesures seraient susceptible d’accélérer le développement de ces technologies ?
Il y a plusieurs pistes envisageables. La première consisterait à augmenter la taxe carbone pour faire grimper le prix du CO2. L’étude réalisée pour l’ADEME (2014) montrait qu’un prix de 200€ la tonne pourrait assurer une compétitivité économique pour plusieurs produits. Ensuite une réglementation plus appropriée couplée à une forte volonté politique serait un plus (réglementation sur les déchets industriels, pénalités aux incinérateurs, par ex.). Le dernier levier concerne les consommateurs : s’ils étaient sensibilisés à l’intérêt de consommer des produits issus d’une valorisation du CO2, il pourrait être plus enclin à acheter des produits affichant un prix plus cher.

Renseignements :
Sebastian Escagües
Manager – ENEA Consulting
sebastian.escagues@enea-consulting.com

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