Comment recycler le CO2 grâce au plasma froid

Les plas­mas, et en par­ti­cu­lier les plas­mas froids, pour­raient jouer un rôle impor­tant dans la valo­ri­sa­tion et le recy­clage du CO₂. Oli­vier Guai­tel­la et ses col­lègues du Labo­ra­toire de phy­sique des plas­mas (LPP¹) tra­vaillent sur l’ac­ti­va­tion du CO₂ à l’aide de ces plas­mas et sa conver­sion en molé­cules à plus haute den­si­té d’énergie. Il est ain­si pos­sible de recy­cler le CO₂ avant qu’il ne soit libé­ré dans l’atmosphère.

Même si nous par­ve­nons à réduire les émis­sions de CO₂, ce qui reste la prio­ri­té, les indus­tries dont nous dépen­dons, comme les acié­ries, les cimen­te­ries et les ver­re­ries, conti­nue­ront à émettre ce gaz à effet de serre – du moins, dans un ave­nir pré­vi­sible. Plu­tôt que d’enfouir le CO₂ dans des champs de séques­tra­tion sou­ter­rains, ce qui est un pro­ces­sus tech­ni­que­ment com­plexe, aci­di­fiant le sol et léguant aux géné­ra­tions futures le pro­blème du CO₂ sto­cké, l’i­dée est d’es­sayer de cap­ter le CO₂ émis et de le recy­cler en le conver­tis­sant en molé­cules à plus haute den­si­té éner­gé­tique, comme l’éthanol ou le métha­nol. Cela per­met éga­le­ment d’offrir une solu­tion de sto­ckage des éner­gies renou­ve­lables sous forme chi­mique pour pou­voir trans­por­ter l’énergie et l’utiliser en cas de besoin.

Pour le recy­clage, une des tech­niques consiste à hydro­gé­ner le CO₂, mais une dif­fi­cul­té sub­siste : le CO₂ est une molé­cule extrê­me­ment stable qui ne réagit pas bien chi­mi­que­ment avec l’hy­dro­gène, ni avec d’autres atomes ou molé­cules. Il existe ain­si un cer­tain nombre de tech­niques pour soit dimi­nuer les émis­sions de CO₂à la source, soit pour le conver­tir ou le pié­ger. Par­mi celles-ci, citons : la cata­lyse ther­mique clas­sique dans laquelle le CO₂ et l’hy­dro­gène sont chauf­fés ensemble en pré­sence d’un cata­ly­seur ; l’électrolyse ; le cra­quage ther­mique dans des fours solaires, par exemple ; et l’u­ti­li­sa­tion de plantes comme le col­za et la bet­te­rave ou des algues qui se nour­rissent en CO₂ pour trans­for­mer les émis­sions de CO₂ en biocarburant.

En tant que phy­si­ciens, Oli­vier Guai­tel­la et ses col­lègues tra­vaillent sur une autre approche uti­li­sant des plas­mas froids. Les plas­mas sont des gaz qui ont été ioni­sés à l’aide d’un champ élec­trique de sorte qu’ils contiennent des ions posi­tifs et des élec­trons. Les plas­mas froids ne sont que par­tiel­le­ment ioni­sés – typi­que­ment, seule une par­ti­cule sur 10 000 dans le gaz est ioni­sée. La par­ti­cu­la­ri­té de ce type de plas­ma (éga­le­ment appe­lé plas­ma « non ther­mique ») est que les élec­trons, les ions et les atomes neutres du gaz ne sont pas à la même tem­pé­ra­ture. Les plas­mas froids sont donc le seul milieu dans lequel les molé­cules de CO₂ peuvent être exci­tées de manière pré­fé­ren­tielle pour les rendre plus réac­tives, sans gas­piller d’éner­gie à chauf­fer l’en­semble du gaz.

Le plas­ma froid nous per­met de géné­rer des réac­tions chi­miques que l’on n’arrive pas à obte­nir en chauf­fant sim­ple­ment le gaz. 

Dans un plas­ma froid, cer­tains des élec­trons pro­duits ont beau­coup d’éner­gie mais le gaz reste à des tem­pé­ra­tures rela­ti­ve­ment basses. Ces élec­trons sont capables de bri­ser les liai­sons des molé­cules de CO₂ou d’ex­ci­ter ces liai­sons. « Les plas­mas froids sont ce que nous appe­lons un milieu hors équi­libre ther­mo­dy­na­mique », explique Oli­vier Guai­tel­la. « Ce milieu nous per­met de géné­rer des réac­tions chi­miques que l’on n’arrive pas à obte­nir en chauf­fant sim­ple­ment le gaz, car il nous per­met de dépas­ser les limites ther­mo­dy­na­miques. »

« Ce que nous essayons de faire, c’est d’u­ti­li­ser les quelques élec­trons qui ont beau­coup d’éner­gie pour aller exci­ter les vibra­tions de la molé­cule de CO₂. Si nous par­ve­nons à trans­fé­rer suf­fi­sam­ment d’éner­gie à ces vibra­tions, la molé­cule de CO₂ devien­dra réac­tive vis-à-vis des autres molé­cules en ayant dépen­sé un mini­mum d’énergie. »

Pour géné­rer le plas­ma, les cher­cheurs uti­lisent l’éner­gie élec­trique – idéa­le­ment issue de sources renou­ve­lables – pour accé­lé­rer les élec­trons du gaz, qui trans­fèrent ensuite de l’éner­gie aux vibra­tions de la molé­cule de CO₂. « Une fois que nous avons réus­si à faire cela, nous pou­vons essayer de faire réagir la molé­cule de CO₂ avec de l’hy­dro­gène vert (qui peut pro­ve­nir de pro­ces­sus comme l’élec­tro­lyse) ou du méthane (qui peut pro­ve­nir de la fer­men­ta­tion de déchets bio­lo­giques, par exemple) pour conver­tir le CO₂ en méthane, en métha­nol ou en d’autres hydro­car­bures. »

Ce qui limite réel­le­ment l’ef­fi­ca­ci­té de la conver­sion du CO₂ induite par le plas­ma n’est pas tant la dis­so­cia­tion des liai­sons C‑O, car ce pro­ces­sus fonc­tionne bien, mais plu­tôt les pro­ces­sus dits de « réac­tion inverse », qui doivent être évi­tés à tout prix, explique Oli­vier Guai­tel­la. « Une fois que nous avons dis­so­cié la molé­cule de CO₂ en monoxyde de car­bone (CO) et en un atome d’oxy­gène (O), nous devons empê­cher cet atome d’oxy­gène de se recom­bi­ner avec le CO pour refor­mer le CO₂, détaille-t-il. Si cela se pro­duit, l’ef­fi­ca­ci­té du pro­ces­sus de trans­for­ma­tion du CO₂ est consi­dé­ra­ble­ment réduite. »

Il existe plu­sieurs façons d’é­vi­ter cette réac­tion, en cou­plant les plas­mas froids à des cata­ly­seurs, à des sol­vants liquides ou à des mem­branes ioniques (maté­riaux qui per­mettent l’ex­trac­tion conti­nue des atomes d’oxy­gène for­més). « Dans notre équipe, nous étu­dions ces trois approches en paral­lèle. », sou­ligne Oli­vier Guaitella.

Il y a éga­le­ment dif­fé­rentes manières d’a­mor­cer le plas­ma. L’une des sources plas­ma uti­li­sées au LPP – uni­que­ment à des fins de recherche fon­da­men­tale – sont les décharges « lumi­nes­centes » (simi­laire à celles uti­li­sés dans les tubes fluo­res­cents uti­li­sés pour l’éclairage). Elles ont l’a­van­tage de pou­voir être faci­le­ment com­pa­rées à des modèles numé­riques pour mieux com­prendre le com­por­te­ment des plas­mas de CO₂, un milieu très com­plexe en soi. Tou­te­fois, les décharges lumi­nes­centes sont peu effi­caces pour conver­tir le CO₂. « L’une des idées pour amé­lio­rer l’efficacité est d’utiliser des décharges radio­fré­quences pul­sées géné­rant des champs élec­triques qui oscil­lent typi­que­ment dans la gamme des 13–56 MHz. », explique Oli­vier Guai­tel­la. « Ces plas­mas nous per­mettent d’at­teindre des den­si­tés d’élec­trons éle­vées tout en ayant un champ élec­trique moyen suf­fi­sam­ment faible pour opti­mi­ser l’ex­ci­ta­tion des vibra­tions du CO₂.

Nous avons construit un démons­tra­teur qui montre que nous sommes capables de réa­li­ser la métha­ni­sa­tion du CO2 avec de telles décharges radiofréquences.

« Sur ce thème, nous avons actuel­le­ment un pro­jet en cours, d’abord finan­cé par L’IP Paris et main­te­nant par la SATT Paris Saclay. Il n’en est pas à pro­pre­ment par­ler au stade de pro­to­type, dans le sens où nous ne pou­vons pas encore l’exploiter sur un site indus­triel. Nous avons cepen­dant construit un démons­tra­teur à une échelle déjà plus grande que nos réac­teurs de labo­ra­toire. Ce démons­tra­teur, déve­lop­pé notam­ment par le doc­to­rant Edmond Baratte, montre que nous sommes capables de réa­li­ser la métha­ni­sa­tion du CO₂ avec de telles décharges radiofréquences.

« Le recy­clage du CO₂ pré­sente des défis à la fois socié­taux et tech­no­lo­giques. Bien qu’il existe plu­sieurs tech­no­lo­gies de valo­ri­sa­tion du CO₂, aucune d’entre elles n’est actuel­le­ment viable sur le plan éco­no­mique et éner­gé­tique. Tou­te­fois, elles pour­raient le deve­nir si les émis­sions de CO₂ dans l’at­mo­sphère étaient plus lour­de­ment taxées. Cela encou­ra­ge­rait les grands pol­lueurs à inves­tir davan­tage dans des ins­tal­la­tions de recy­clage du CO₂. Il s’agit ici de choix poli­tiques et éco­no­miques. »

Isabelle Dumé

Réfé­rences

• PIONEER pro­ject
• PLAS­MAS­cience Gra­duate School
• E4C (Energy4Climate)
• C Fro­men­tin et al 2023. Stu­dy of vibra­tio­nal kine­tics of CO 2 and CO in CO 2 –O 2 plas­mas under non-equi­li­brium condi­tions. Plas­ma Sources Sci. Tech­nol. 32 024001
• C. Fro­men­tin, T. Sil­va, T. C. Dias, E. Baratte, O. Guai­tel­la, V. Guer­ra. Vali­da­tion of non-equi­li­brium kine­tics in CO2-N2 plas­mas. arXiv:2301.08938v1 
• Sil­va, T., Morillo-Can­das, A. S., Guai­tel­la, O., & Guer­ra, V. (2021). Mode­ling the time evo­lu­tion of the dis­so­cia­tion frac­tion in low-pres­sure CO2 plas­mas. Jour­nal of CO2 Uti­li­za­tion, 53, 101719
• Bogaerts, A., Neyts, E. C., Guai­tel­la, O., & Mur­phy, A. B. (2022). Foun­da­tions of plas­ma cata­ly­sis for envi­ron­men­tal appli­ca­tions. Plas­ma Sources Science and Tech­no­lo­gy, 31(5), 053002