Fin 2017, la Commission européenne a lancé un appel à participation pour un concours d'innovation autour de la photosynthèse artificielle, nommé « Artificial Photosynthesis : Fuels from the sun ». L'idée était de mimer le processus naturel de synthétisation des molécules carbonées à partir de CO2 et d'eau, avec un démonstrateur intégré autonome. Le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) a déposé un dossier de présélection. En février 2022, ont été annoncés les finalistes. L'organisme français en faisait partie avec une solution permettant de produire du méthane. Sur le podium étaient représentés l'université de Tokyo, avec la production du même carburant mais grâce à une solution différente, et l'université de Cambridge, grâce à une production de syngaz (un mélange de monoxyde de carbone et de dihydrogène).
Optimiser les dépenses énergétiques
Le CEA a choisi de travailler avec des cellules photoélectrochimiques intégrées, pour produire sous ensoleillement un courant chargé de faire fonctionner un électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEM). L'hydrogène ainsi produit est combiné avec du CO2 grâce à un processus de méthanation biologique, pour fabriquer du méthane. Un échangeur thermique a été intégré par impression 3D dans l'électrolyseur pour préchauffer l'eau grâce au rayonnement non absorbé par la cellule photoélectrochimique, et améliorer ainsi le fonctionnement de l'électrolyseur.
Enfin, l'équipe française a préféré la méthanation biologique à la méthanation catalytique pour ses avantages en matière de sélectivité (absence de produits indésirables). À la différence de la méthanation catalytique, la méthanation biologique opère à température et pression ambiantes, tolère l'intermittence et les arrêts, et ne nécessite pas d'apports autres que l'hydrogène.
La première place
« L'équipe japonaise a choisi de combiner la photocatalyse pour dissocier l'eau en hydrogène et en oxygène, puis de séparer hydrogène et oxygène et, enfin, faire une méthanation catalytique pour synthétiser du méthane à partir de l'hydrogène et du CO2 », indique Muriel Matheron, membre de l'équipe française. Procédé étudié depuis les années 1970, la photocatalyse consiste en une décomposition de l'eau sur un catalyseur - un dérivé du dioxyde de titane ou d'autres oxydes de métaux de transition – sous l'effet de la lumière. Une surface catalytique développée jusqu'à une centaine de mètres carrés a valu aux Tokyoïtes la première place du concours.
Gagner en maturité
« Notre solution est la combinaison de technologies à différents niveaux de maturité. L'électrolyseur à membrane échangeuse de protons est largement éprouvé. La cellule tandem, figurant parmi les derniers-nés de la filière photovoltaïque, doit encore gagner en stabilité et en capacité à être produite à grande échelle », souligne Muriel Matheron. En cause, la compréhension à acquérir sur les procédés de mise en œuvre sur de grandes surfaces et sur les mécanismes de dégradation dans le temps sous l'effet des sollicitations de l'environnement (humidité, rayonnement thermique…).
Pour passer d'un TRL 5 (niveau actuel) à un TRL 9 – dernier cran de cette échelle mesurant l'évolution d'une technologie du laboratoire jusqu'à l'industrialisation –, il faudra avancer sur la montée en maturité des composants.
Reste une méthodologie de travail peu commune : « Dans les approches traditionnelles, on optimise un composant seul. Or, se réunir autour d'un couplage de composants est un moteur de leur déploiement, car cela permet de tester toute la chaîne de conversion jusqu'au produit final, notamment d'évaluer la robustesse du système en conditions de fonctionnement proches de la réalité. »
« La tendance générale de notre mix énergétique à l'électrification va mettre le réseau sous tension. Si bien que des conflits d'usage pourraient apparaître. Dans cette perspective, nous pensons que la production de molécules clefs pour notre économie (carburants, chimie) sans passer par le réseau peut être considéré comme un atout », conclut Muriel Matheron.
