L’Institut Paul Scherrer PSI et la start-up suisse Metafuels ont développé une nouvelle méthode pour fabriquer du carburant aviation durable, un carburant dit SAF – en anglais pour sustainable aviation fuel. Ils réalisent la construction et l’exploitation d’une première installation pilote sur le site du PSI pour  valider la technologie et de l’utiliser commercialement à large échelle dans un avenir proche. Le texte ci-après est tiré de l’article de Benjamin A. Senn de l’Institut Paul Scherrer.

            Le trafic aérien est responsable de 2 à 3 % des émissions de CO₂ à l’échelle mondiale. Mais ces émissions de CO₂ ne constituent qu’entre un tiers et la moitié de l’impact climatique du trafic aérien. La formation de traînées de condensation est tout aussi importante. Lors de la combustion de kérosène fossile, les turbines d’avion émettent des particules de suie et d’autres germes de condensation qui, en raison des températures froides à cette altitude, gèlent pour former des cristaux de glace  visibles sous la forme de traînées blanches. Dans certaines conditions, elles donnent naissance à des nuages artificiels, des cirrus induits. Certains de ces nuages laissent passer presque sans entrave la lumière visible du soleil, Ils réfléchissent et absorbent toutefois le rayonnement infrarouge provenant de la surface de la Terre de manière très efficace, ce qui fait que ce rayonnement ne peut pas s’échapper librement dans l’espace.

            «La composition moléculaire des carburants synthétiques permet d’influencer le processus de combustion et donc de réduire par exemple de façon drastique la formation de particules de suie», relève Marco Ranocchiari. Des résultats de recherche actuels indiquent qu’il est possible de réduire le réchauffement net de la Terre et d’améliorer localement la qualité de l’air aux abords des aéroports.

Un carburant plus propre

               Le PSI et Metafuels  veulent développer et commercialiser un procédé de production de kérosène synthétique bon marché à base de ressources renouvelables. Il s’agit de fabriquer, grâce à de l’eau, de l’électricité verte et du dioxyde de carbone  de sources durables, un carburant de haute qualité avec lequel des avions actuels pourraient voler soit en complément du kérosène fossile soit  comme carburant principal.

     En collaboration avec l’équipe de Metafuels, des chercheurs du PSI ont développé un procédé catalytique qui atteint un rapport rendement et taux de conversion, et une utilisation plus efficiente des énergies renouvelables que les SAF-procédés actuels. Cette technologie aerobrew^TM, doit permettre au PSI et à Metafuels de fermer le cycle du carbone et réaliser dans l’aviation, l’objectif de zéro émission nette. 

   «Comparée au carburant traditionnel, notre technologie a le potentiel de diminuer les émissions de carbone pendant tout le cycle de vie de 80 à 95 % selon le site de production», explique Saurabh Kapoor, cofondateur de Metafuels. Le dioxyde de carbone provient soit directement de l’air soit de biomasse non alimentaire comme des déchets de bois ou de végétaux. Au moyen de l’électrolyse, de l’hydrogène vert peut être obtenu en utilisant des énergies renouvelables comme des éoliennes ou des centrales photovoltaïques et de l’eau. «A partir d’hydrogène  et de dioxyde de carbone, nous produisons du méthanol – la matière de base pour notre kérosène synthétique.»

 Une collaboration durable

     Les cofondateurs de Metafuels développent depuis plus d’une décennie des stratégies et des technologies en vue du remplacement des carburants fossiles par des sources renouvelables. Les trois cofondateurs Leigh Hackett, Saurabh Kapoor et Ulrich Koss ont déjà travaillé sur des projets complexes liés à la décarbonation des systèmes énergétiques. Metafuels est arrivée au PSI avec un plan d’affaires complet et une approche technologique. Marco Ranocchiari, responsable de la plateforme d’essai Energy System Integration (ESI) au PSI explique :  » Grâce à une réaction catalytique, nous avons pu développer un procédé pour produire du kérosène synthétique à partir de méthanol vert et ainsi augmenter de manière significative la sélectivité par rapport aux procédés SAF alternatifs.»

Construire une installation pilote

          Metafuels et le PSI passent maintenant à la phase suivante du projet, qui consiste à construire et à exploiter une installation pilote. L’installation pilote, sous forme de deux modules de conteneurs, sera installée sur la plateforme de l’ESI sur le site du PSI et intégrée dans l’infrastructure existante. Cela permettra de valider la technologie en vue de son utilisation commerciale à grande échelle dans un avenir proche. Sur la plateforme ESI, le PSI développe et teste, en collaboration avec des partenaires de l’industrie et de la recherche, des procédés ouvrant la voie à un système énergétique neutre en CO₂. L’accent est mis sur des processus de conversion de l’énergie qui rendent la biomasse utilisable du point de vue énergétique et les énergies renouvelables stockables, afin de pouvoir, par exemple, les employer dans le secteur aérien.

 La manière de voyager la plus énergivore

     Pour atteindre les objectifs de l’accord de Paris sur le climat et de rendre le trafic aérien neutre en carbone des recherches intensives sont menées pour trouver des alternatives. A côté du kérosène synthétique, des alternatives comme des batteries et de l’hydrogène existent. Les batteries lithium-Ion ont toutefois une très faible densité énergétique gravimétrique. Elles ont besoin d’énormément de masse afin de fournir l’énergie nécessaire. Pour des vols moyens et long-courriers, pour lesquels chaque kilogramme compte, les batteries pèsent trop lourd. La logistique dans les aéroports devrait de plus être adaptée, afin de charger des avions rapidement et en parallèle.

     L’hydrogène liquide possède une densité énergétique gravimétrique plus élevée que le kérosène traditionnel, mais sa densité énergétique volumétrique est environ quatre fois plus faible. Airbus, par exemple, développe une technologie hybride qui  brûle l’hydrogène dans des turbines à gaz et, d’autre part  transforme une partie de l’hydrogène en électricité dans des piles à combustible. Mais cette voie impose de transformer la conception des avions.

«Le kérosène liquide synthétique a l’avantage de pouvoir être directement intégré dans l’infrastructure existante des aéroports et utilisé avec des réacteurs traditionnels, explique Marco Ranocchiari. La flotte d’avions actuelle ne doit ainsi pas être remplacée et le kérosène synthétique peut se substituer en continu au kérosène fossile.»

Des images peuvent être téléchargées sur https://www.psi.ch/fr/media/actualites-recherche/faire-voler-des-avions-de-maniere-durable

A propos du PSI

Informations supplémentaires

Des carburants verts pour l’aviation – communiqué de presse du 25 février 2021
https://www.psi.ch/fr/media/actualites-recherche/des-carburants-verts-pour-laviation

La plateforme d’essai ESI, de nouvelles voies vers le système énergétique du futur
https://www.psi.ch/fr/media/apercu-plateforme-esi

SynFuels – PSI-Empa Joint Initiative
https://www.psi.ch/de/ta/projects/synfuels-psi-empa-joint-initiative

Contact

Dr Marco Ranocchiari
Responsable Energy System Integration (ESI)
Institut Paul Scherrer, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Suisse
Téléphone: +41 56 310 58 43, e-mail: marco.ranocchiari@psi.ch [allemand, anglais, italien]

Saurabh Kapoor
Metafuels
www.metafuels.ch
[allemand, anglais]