Des îles solaires et des bateaux-usines pour fabriquer du méthanol à bilan carbone neutre. © Novaton

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Des îles artificielles pour un transport mondial zéro carbone

ActualitéClassé sous :développement durable , méthanol , transport durable

Des chercheurs ont imaginé d'immenses îlots de panneaux solaires flottants capables de convertir le CO2 de l'océan en méthanol, un carburant facile à transporter et susceptible d'alimenter tous les moyens de transport. Un concept révolutionnaire qui pose toutefois de sérieux défis techniques et économiques.

En 2016, le transport (route, bateau, train, avion) a généré 7,87 gigatonnes de CO2, soit un quart des émissions mondiales. Or, malgré l'essor des véhicules et même des trains électriques, il est inenvisageable de faire voler un long courrier avec des batteries, bien trop lourdes. Dans ce cas, pourquoi ne pas produire un carburant dont les émissions carbone pourraient être entièrement compensées par un processus de fabrication captant le CO2 émis ?

C'est la solution imaginée par des chercheurs de l'ETH Zurich, du Paul Scherrer Institute (PSI), de l'Empa, des universités de Zurich, Berne et du Norwegian University of Science and Technology (Nust) à Trondheim, qui proposent pour cela une solution originale : des milliers de plateformes flottantes équipées de panneaux solaires convertissant l'hydrogène et le CO2 de l’eau de mer en méthanol. Pourquoi du méthanol ? C'est un carburant liquide, donc facile à transporter, et qui peut servir à de multiples usages : centrales à gaz, carburant pour voitures et avions ou en substitut au gaz naturel et aux hydrocarbures après conversion en éther méthylique.

Chaque cluster de 70 îles permettrait de produire 1,75 tonne de méthanol par heure. © Novaton

Extraire le CO2 et l’hydrogène de l’eau de mer pour produire du méthanol

Le procédé, décrit dans la revue PNAS du 3 juin 2019, se résume en quatre étapes :

  • désalinisation de l'eau de mer par osmose (pour éviter de produire du chlore lors de l'électrolyse) ;
  • électrolyse de l'eau en hydrogène et oxygène ;
  • extraction du CO2 de l'eau de mer ;
  • hydrogénation catalytique du CO2 en méthanol.

Les deux premières étapes seront assurées via la production d'énergie issue des panneaux solaires, qui disposeront de batteries permettant d'assurer une production en continu y compris pendant la nuit. Pour l'extraction du CO2, les chercheurs ont imaginé un système de membrane sélective : l'eau est d'abord acidifiée afin de concentrer le CO2 dissous puis catalysé avec l'hydrogène selon la réaction 3H2 + CO2 → CH3OH + H2O grâce un catalyseur cuivre-zinc-aluminium. La synthèse  du méthanol étant exothermique, il serait possible de récupérer une partie de la chaleur pour optimiser l'extraction du CO2, avancent les chercheurs.

1,5 % des océans de la planète recouverts d’îles solaires

Au final, un cluster de 70 îles de 100 mètres de diamètre permettrait de produire 1,75 tonne de méthanol par heure. Il faudrait donc 170.000 clusters pour produire les 15.300 tonnes annuelles de méthanol nécessaires à l'alimentation du transport mondial, ont calculé les chercheurs. Un cluster couvrant environ 1 km2 (dont la moitié de panneaux solaires), la surface totale serait équivalente à 170.000 km2, soit 1,5 % de la totalité des océans du monde. Or, ces fameux clusters devront être localisés dans des zones suffisamment ensoleillées, pas trop exposées aux ouragans et aux vagues, et à proximité des côtes pour faciliter l'acheminement du méthanol par bateau. L'essentiel du potentiel se concentre donc vers le Brésil, l'Indonésie et l'Australie (voir carte ci-dessous).

Les îles devront être installées dans des eaux calmes et ensoleillées, à proximité des côtes. © Bruce D. Patterson et al, PNAS, 2019

Un coût exorbitant et des défis techniques

Sur le papier, le concept semble séduisant. Sauf que les défis techniques sont immenses. Un seul exemple : la catalyse du dioxyde de carbone en méthanol nécessite de très hautes températures et pressions. Or, lorsque la température est trop élevée, l'hydrogène et le carbone peuvent former du monoxyde de carbone, un gaz toxique. D'autres catalyseurs au gallium, zirconium ou ruthénium sont en test mais pas encore utilisables à grande échelle.

D'autre part, l'installation et l'entretien d'une telle surface de panneaux solaires semble à l'heure actuelle irréaliste. Enfin, le coût d'une telle installation est exorbitant : à 90 millions de dollars le cluster, on arrive à une somme faramineuse de plus de 15 milliards de dollars, à laquelle il faut ajouter le coût de production, équivalent à 54 $/MWh (48 €/MWh, ce qui correspond à peu près au coût du mégawattheure (MWh) de nucléaire installé). Même si cet immense archipel demeure donc à l'état de rêve, il a le mérite d'explorer un moyen de freiner le réchauffement climatique en combinant des technologies existantes.

  • Des chercheurs suisses ont imaginé des îles solaires pour fabriquer du méthanol à partir d’hydrogène et de CO2 extraits de l’eau de mer.
  • Le méthanol, qui servirait ensuite de carburant pour les différents modes de transport, verrait ainsi ses émissions de CO2 compensées par la capture carbone lors de sa synthèse.
  • Il faudrait cependant couvrir 1,5 % des océans du globe avec de telles îles pour compenser la totalité du transport.
Pour en savoir plus

Une île artificielle pour stocker de l’énergie !

Article de Quentin Mauguit publié le 27/01/2013

La production d'électricité issue de l'énergie éolienne est intermittente. Pour s'en accommoder, les autorités belges envisagent de construire un atoll énergétique en mer du Nord. Ce concept innovant repose sur le principe bien connu des stations de transfert d'énergie par pompage. Quelques explications s'imposent.

De plus en plus de parcs éoliens voient le jour en mer du Nord, notamment en Belgique. Deux projets de grande ampleur peuvent en témoigner : Belwind et C-Power. Le premier a pris forme à 46 km au large de Zeebrugge, sur le banc de sable de Bligh Bank, avec l'installation de 55 éoliennes de 3 MW. Ces turbines permettent d'ores et déjà d'alimenter 175.000 ménages belges en électricité. Le deuxième projet, C-Power, devrait être achevé fin 2013 avec la mise en service de 48 nouvelles éoliennes. Au total, elles seront 54 (puissance cumulée de 325,2 MW) à fournir de l'électricité pour 600.000 habitants. 

L'exploitation de l'énergie éolienne semble promise à un bel avenir, malgré un inconvénient majeur. La production d'électricité par cette filière est en effet intermittente puisqu'elle dépend des vents. Il n'est donc pas rare d'avoir, par exemple, des pics de production la nuit... lorsque tout le monde dort. Cette énergie est alors perdue. Plusieurs solutions de stockage à grande échelle sont à l'étude ou en cours de test pour pallier ce problème. Elles reposent notamment sur l'utilisation de batteries ou encore sur la conversion de l'électricité en hydrogène ou en air comprimé. 

Ces alternatives ne semblent pas avoir retenu l'attention des autorités belges, puisque c'est un tout autre concept qui a été présenté au comité portuaire de Zeebrugge, le 16 janvier 2013. Le ministre belge de l'Économie, Johan Vande Lanotte, y a en effet exposé un projet d'atoll énergétique. Concrètement, la Belgique pourrait construire une île en mer du Nord pour stocker de l'énergie éolienne.

Le fonctionnement d'une ferme éolienne offshore en image. © Idé

Une île artificielle, donut couché sur le sable

Cette île artificielle, en sable, pourrait voir le jour à 3 km au large de Wenduine, non loin des fermes éoliennes évoquées plus haut. Elle devrait afficher un diamètre d'environ 2,5 km, culminer à 10 m au-dessus du niveau de la mer et présenter un gigantesque puits de 30 m de profondeur en son centre. Le ministre compare cette construction à un « donut couché sur le sable ».

Une île qui stocke de l'énergie, comment est-ce possible ? Autant le dire de suite, aucune grande avancée technologique ne se cache derrière ce concept. Le projet prévoit d'utiliser une version inversée du principe des stations de transfert d'énergie par pompage (Step). Concrètement, le puits, qui sera situé au centre de l'île, sera en temps normal rempli d'eau. En cas de surproduction d’électricité, des pompes seront activées pour rejeter le précieux liquide à la mer. À l'inverse, lorsque la demande en électricité sera forte, des vannes pourront être ouvertes pour remplir le puits. L'astuce réside dans le fait que l'eau passera alors par des turbines hydrauliques. C'est ainsi que la Belgique compte pallier l'intermittence de la production électrique éolienne offshore. Selon le ministre, « c'est la plus vieille, et toujours aujourd'hui, de loin, la forme la plus efficace de stockage d'électricité à large échelle ».

Un consortium international partiellement composé de sociétés belges aurait été séduit par cette idée. La conception complète du projet ainsi que la construction de l'île devraient prendre cinq ans. Cerise sur le gâteau, l'atoll énergétique pourrait également servir de refuge pour de nombreux oiseaux marins (sternes, goélands bruns, etc.). Par ailleurs, ce concept est aussi à l'étude en France et au Danemark.

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