Les effets de la guerre en Iran sur le marché pétrolier ont remis en lumière les projets de l’UE pour la production domestique de carburants d’aviation sans fossiles. Mais les règles européennes pour les carburants d’aviation synthétiques risquent d’orienter le développement vers des voies de production à la fois plus coûteuses et plus énergivores que nécessaire – rendant plus difficile l’atteinte des objectifs climatiques. C’est ce que montre une récente étude de l’Université de technologie Chalmers, en Suède, qui a analysé différentes méthodes de production de méthanol synthétique.
L’année dernière, des règles ont été introduites exigeant un mélange minimal de 2 % de carburant d’aviation durable dans les aéroports de l’UE. Cette exigence de mélange augmentera progressivement pour atteindre au moins 70 % d’ici 2050. À cette date, la moitié du carburant d’aviation durable devra être constituée d’une catégorie appelée RFNBO : « carburants renouvelables d’origine non biologique ». Il s’agit de carburants synthétiques, également appelés électro-carburants, produits à partir d’hydrogène renouvelable et de dioxyde de carbone capturé.
Des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers montrent désormais que les règles relatives aux RFNBO favorisent un « détour » dans la production de carburants synthétiques, ce qui risque d’augmenter à la fois les coûts et la consommation d’énergie.
« Les réglementations n’influencent pas seulement les investissements industriels dans les technologies, mais aussi les priorités de recherche et développement. Au lieu d’encourager l’innovation vers les solutions les plus efficaces, nous risquons de nous enfermer dans des méthodes de production moins efficaces en termes d’utilisation des ressources », explique Henrik Thunman, professeur de technologie énergétique à Chalmers et co-auteur de l’article scientifique.
Des milliers de nouvelles installations seront nécessaires dans le monde pour répondre à la demande croissante de carburants d’aviation durables au cours des prochaines décennies. Cela nécessitera des investissements très importants dans des installations ayant une longue durée de vie opérationnelle.
De grandes différences entre les voies alternatives pour un même produit à partir de la même matière première
L’équipe de recherche de Chalmers a étudié la production de méthanol synthétique, qui est un exemple de molécule de carburant pouvant être convertie en carburant d’aviation durable. Il s’agit d’un cas représentatif pour analyser la manière dont différentes voies de production affectent l’utilisation des ressources dans la production de ces molécules de carburant.
Ces molécules riches en énergie peuvent être produites en combinant des atomes de carbone et d’hydrogène dans des processus chimiques. Dans l’étude, les chercheurs ont comparé trois voies de production différentes du méthanol, dans lesquelles les atomes de carbone proviennent de la biomasse – ce que l’on appelle le carbone biogénique. Deux des méthodes sont basées sur la combustion de la biomasse, où le dioxyde de carbone est capturé dans les gaz de combustion, puis mélangé à de l’hydrogène produit séparément à l’aide d’électricité. La troisième est basée sur la gazéification, où la biomasse chauffée est directement convertie en gaz de synthèse contenant à la fois du carbone et de l’hydrogène.
Toutes les trois voies de production sont techniquement réalisables, et la matière première ainsi que le produit final peuvent être les mêmes. Cependant, elles diffèrent nettement en termes d’utilisation d’énergie, de coût et de demande d’électricité.
La voie de production directe est désavantagée par la réglementation de l’UE
« La voie de la gazéification s’est avérée être l’option la plus efficace en termes de ressources dans notre analyse, avec un coût de production jusqu’à 46 % inférieur et une demande d’électricité 30 % inférieure à celle des deux alternatives basées sur la combustion. Cette différence montre l’ampleur des pertes d’énergie lorsque la biomasse est d’abord brûlée en dioxyde de carbone, puis reconstruite en molécules de carburant en utilisant de grandes quantités d’électricité et d’hydrogène », explique Johanna Beiron, chercheuse en théorie des ressources physiques à Chalmers et premier auteur de l’article.
Malgré cela, la combustion est bien plus favorisée que la gazéification par le cadre réglementaire de l’UE. La catégorie RFNBO – qui devrait passer de quasi zéro aujourd’hui à 35 % de tout le carburant d’aviation dans l’UE d’ici 2050 – inclut tout le carburant issu des alternatives basées sur la combustion, mais exclut environ la moitié du carburant produit par gazéification.
La raison en est que les carburants RFNBO ne peuvent pas être produits en utilisant de l’énergie et des atomes de carbone provenant directement de la biomasse, comme c’est largement le cas dans la production par gazéification. En revanche, il est permis d’utiliser les atomes de carbone de la biomasse dans les voies basées sur la combustion, à condition de capter le dioxyde de carbone formé lorsque la biomasse est utilisée à d’autres fins énergétiques. Un exemple est la combustion de résidus de l’industrie forestière dans des centrales de cogénération.
Mais ces résidus peuvent être utilisés de manière plus efficace en termes de ressources par la gazéification.
« L’une des alternatives basées sur la combustion que nous avons analysées était le processus dans les centrales de cogénération », explique Johanna Beiron. « Il a un coût plus élevé et une efficacité énergétique plus faible que la gazéification, même en incluant l’électricité supplémentaire nécessaire pour remplacer, par exemple, le chauffage urbain que le processus de combustion peut contribuer à fournir. »
La réglementation risque d’aller à l’encontre de ses propres objectifs
L’un des objectifs de la classification RFNBO est de stimuler l’augmentation de la production d’électricité renouvelable pour la production d’hydrogène vert, et de réduire la dépendance à la biomasse, une ressource limitée.
Mais les atomes de carbone pour le carburant d’aviation synthétique doivent venir de quelque part. La biomasse devrait être la source de carbone fossile la moins coûteuse pour la production de RFNBO, et les chercheurs s’attendent à ce que le cadre réglementaire actuel entraîne une très forte demande de dioxyde de carbone issu de la combustion de la biomasse. Au lieu de réduire le besoin de biomasse, les réglementations de l’UE risquent de conduire à une utilisation moins efficace de l’énergie à partir de la ressource limitée de biomasse.
« Le cadre réglementaire ne tient pas suffisamment compte de l’efficacité avec laquelle différents systèmes utilisent l’énergie et les ressources », explique Henrik Thunman. « L’étude met donc en évidence un problème structurel dans la politique énergétique et industrielle de l’UE : la réglementation risque d’aller à l’encontre de ses propres objectifs lorsque les définitions des carburants durables ne sont pas alignées sur les principes fondamentaux de l’énergie ni sur les ambitions plus larges de l’Union en matière d’efficacité des ressources. »
Une réglementation ajustée pourrait être nécessaire pour permettre une transition efficace
Les chercheurs espèrent que leurs résultats contribueront à une meilleure connaissance des technologies et des systèmes disponibles.
« Il est surprenant que les règles de l’UE ne fournissent pas d’incitations plus claires pour les alternatives les plus efficaces », explique Johanna Beiron. « Le cadre réglementaire actuel risque de provoquer un verrouillage sur les systèmes énergétiques basés sur la combustion, alors qu’il existe déjà des procédés techniquement matures qui offriraient à la fois une moindre consommation d’énergie et un moindre coût – comme la gazéification et l’électrification du chauffage urbain. »
« Notre étude montre que certaines parties du cadre réglementaire doivent probablement être ajustées si l’UE veut atteindre ses objectifs à long terme », explique Henrik Thunman. « Une meilleure coordination est nécessaire entre les objectifs climatiques, l’efficacité des ressources et la faisabilité industrielle afin de répondre à l’incertitude qui existe actuellement. Cette incertitude rend difficile la prise de décisions d’investissement rationnelles pour le déploiement à grande échelle des carburants d’aviation durables dans les années à venir. »
En savoir plus sur les trois méthodes de production de méthanol synthétique
Les chercheurs ont choisi d’étudier la production de méthanol car elle fournit un exemple clair de la manière dont l’efficacité globale de la production de carburant est affectée selon que le carbone est utilisé directement sous forme de gaz contenant du carbone issu de la biomasse, ou d’abord converti en dioxyde de carbone puis reconstruit à l’aide d’hydrogène. L’étude compare trois voies de production établies, mais pas encore utilisées commercialement, basées sur l’hydrogène renouvelable et la biomasse sous forme de résidus de l’industrie forestière.
1. Combustion avec captage du carbone
La biomasse est brûlée et le dioxyde de carbone est capturé dans les gaz de combustion. De l’hydrogène, produit séparément à partir d’eau et d’électricité, est ensuite ajouté. Le dioxyde de carbone réagit avec l’hydrogène dans un processus catalytique pour former du méthanol.
- Coût de production élevé : 1 055 euros par tonne de méthanol
- Consommation d’électricité élevée : 1,8 mégawatt d’électricité par mégawatt de méthanol
- Faible efficacité énergétique : environ 37 %
2. Combustion avec captage du carbone et production simultanée d’énergie
Cette voie est similaire à la première, mais la combustion est également utilisée pour produire de l’électricité ou de la chaleur, par exemple pour les réseaux de chauffage urbain. L’étude inclut également l’électricité supplémentaire nécessaire pour remplacer cette forme d’énergie.
- Coût le plus élevé des trois alternatives : 1 495 euros par tonne de méthanol
- Consommation d’électricité élevée : 1,6 mégawatt d’électricité par mégawatt de méthanol
- Efficacité énergétique également faible : environ 37 %
3. Gazéification de la biomasse
La biomasse est convertie par gazéification en un gaz de synthèse composé de monoxyde de carbone et d’hydrogène, qui est ensuite utilisé directement dans la synthèse du méthanol. La gazéification produit également un peu de dioxyde de carbone, qui peut également être converti en méthanol avec des quantités limitées d’hydrogène ajouté.
- Coût le plus bas des trois alternatives : 820 euros par tonne de méthanol
- Consommation d’électricité la plus faible : 1,2 mégawatt d’électricité par mégawatt de méthanol
- Efficacité énergétique la plus élevée : environ 46 %
Article : Locked in on RFNBOs – Will EU mandates for drop-in synthetic aviation fuels lead to decreased energy- and cost-efficiency? – Journal : Fuel – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude
Source : Chalmers U.
