Carburants synthétiques: une chercheuse suisse innove pour décarboner voitures et avions

Alessia Cesarini, ingénieure chimiste suisse, met au point un carburant synthétique «de substitution» compatible avec les moteurs à combustion et les infrastructures existantes. Michele Andina / SWI swissinfo.ch

Des millions de moteurs à combustion équipant des machines, des véhicules et autres avions resteront en service encore des décennies. Plutôt que de les remplacer, une chimiste suisse développe une alternative verte, un carburant synthétique «drop-in» compatible avec les moteurs et infrastructures en place.  

Un labyrinthe de tuyaux et modules faits sur mesure émet des vibrations dans l’espace de travail d’Alessia Cesarini au Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (Empa) à Dübendorf, dans le canton de Zurich. C’est là qu’elle présente son prototype pour produire de l’e-carburant, projet sur lequel elle planche depuis deux ans. Son but: ouvrir le marché à une alternative viable face aux carburants fossiles conventionnels.

«Beaucoup de systèmes équipés de moteurs à combustion sont toujours en service. L’idée est de proposer ici une solution locale et moins polluante», explique-t-elle.

En Suisse, le secteur des transportsLien externe est à l’origine de 47% des émissions de CO₂ et 25% dans le monde. Selon une étudeLien externe suisse, environ deux millions de véhicules équipés d’un moteur à combustion circuleront encore sur les routes du pays d’ici 2040. L’agence BloombergLien externe estime pour sa part qu’à l’échelle mondiale 55% des voitures fonctionneront encore avec ce type de moteur à cette date. Pour l’aviation, un secteur très dépendant des carburants fossiles, la décarbonation dépendra de la conversion vers les énergies renouvelables.

L’approche défendue par Alessia Cesarini est simple. «Proposer une solution compatible avec les véhicules et infrastructures qui sont déjà en place. Cette solution doit être durable sur un plan environnemental et économique», dit-elle à Swissinfo.  

Les recherches portant sur les carburants synthétiques ont le vent en poupe, en particulier en Chine, aux États-Unis et en Europe. L’ObservatoireLien externe international des e-carburants a recensé l’année passée plus de 120 projets à grande échelle menés dans 28 pays. Si ce secteur, qui est encore très concentré, n’en est qu’à ses débuts, on observe un glissement des travaux conceptuels vers des projets pilotes industriels.  

La Suisse se profile comme un pôle de recherche de pointe où peuvent être combinés CO₂, hydrogène vert et chimie innovante afin de produire des carburants à faible empreinte carbone. Les travaux d’Alessia Cesarini visent un créneau unique axé sur une essence «drop-in» – utilisable sans modification des installations de distribution et de consommation – via des catalyseurs à haut rendement énergétique. La chercheuse s’attaquera ultérieurement à l’aviation même si ses confrères explorent déjà des carburants destinés au secteur ou travaillent sur des procédés solaires («sun-to-liquid»).

Des hydrocarbures comme des Lego

Dans son laboratoire, elle brandit deux flacons remplis d’un liquide jaunâtre. «Distinguez-vous une différence?», demande-t-elle. Si les deux dégagent une odeur âcre et piquante bien reconnaissable, l’un contient de l’essence standard à 95 octanes (SP95), l’autre sa version synthétique.

Un procédé chimique appelé oligomérisation, qui transforme des molécules d’éthylène ou de propylène en un carburant liquide qui ressemble à de l’essence conventionnelle, est au centre de son innovation. Ce procédé permet d’étendre la production à des composés chimiques de kérosène qui pourraient être utilisés à l’avenir dans les avions.  

Le cycle débute par le captage de dioxyde de carbone (CO₂) dans la biosphère ou l’atmosphère, qui est transformé ensuite en alcools comme le méthanol ou l’éthanol. L’eau est retirée des liquides par déshydratation, donnant de l’éthylène et du propylène.

Les gaz sont acheminés ensuite vers un réacteur où un catalyseur brise les molécules et les recompose en hydrocarbures plus longs, créant un carburant de synthèse qui peut être utilisé directement dans les voitures, les avions ou toute autre machine.

«Ce catalyseur constitue l’élément clef pour rendre l’ensemble du processus efficace tout en maintenant une faible consommation d’énergie», décrypte Alessia Cesarini.

«Nous partons de très petites molécules comparables à des blocs de Lego. Des Lego à partir desquels on peut ériger des structures avec des formes spécifiques. Fabriquer du carburant n’est guère différent. Nous disposons là aussi de petites molécules que nous combinons pour obtenir un mélange de molécules plus longues. Cette combinaison est réalisée avec précision grâce à ce catalyseur», éclaire-t-elle.   

Catalyseur secret

Mais celui-ci couve quelques secrets. Alessia Cesarini ne peut en dire beaucoup plus aujourd’hui, si ce n’est que son catalyseur est différent, car il combine les composants de base pour obtenir un carburant aux propriétés prédéfinies et prêt à l’emploi.

«En termes de compétitivité, c’est un immense avantage», précise-t-elle. Des tests indépendants ont démontré que son carburant de synthèse a déjà atteint aujourd’hui un indice d’octane (RON) de 95, référence clef pour l’essence sans plomb standard. Par ailleurs, les premières estimations relèvent qu’une fois produit à une échelle industrielle, il pourrait être compétitif en termes de coûts par rapport à l’essence fossile.

Des tests indépendants ont montré que son carburant synthétique atteint déjà un indice d’octane recherche (RON) de 95, une valeur de référence essentielle pour l’essence sans plomb standard. Michele Andina / SWI swissinfo.ch

«Il n’est pas nécessaire de procéder à des adaptations coûteuses. Il suffit de remplacer le carburant issu d’énergies fossiles et le moteur fonctionnera comme il se doit», dit-elle.

L’Empa estime que ce carburant est respectueux du climat, même si des données précises sur les émissions qu’il dégage ne sont pas encore disponibles.

«En théorie, nous pouvons réduire les émissions jusqu’à 100% en fonction de la source qui est utilisée. Dans les faits, cette réduction se situe entre 90 et 95%», détaille-t-elle.

Ce projet «est très pertinent», estime de son côté le chercheur allemand spécialisé dans les carburants, Jörg SauerLien externe. Alors que les recherches sur l’oligomérisation ont surtout porté ces dernières années sur des carburants durables destinés à l’aviation, il relève à Swissinfo que «les composés en matière d’essence resteront nécessaires à long terme».  

Directeur de l’Institut de recherche en catalyse de l’Institut de technologie de Karlsruhe (Allemagne), Jörg Sauer juge essentiel de garantir un respect strict des normes de qualité.

Stratégie axée sur la sylviculture

C’est à l’École polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ) qu’Alessia Cesarini a entamé ses premiers travaux sur les carburants synthétiques en planchant sur des projets portant sur les produits chimiques durables et les carburants pour l’aviation.

Mais des règles mondiales très rigoureuses en matière de certification, avec une mise en œuvre pouvant parfois prendre plus d’une décennie, l’ont poussée à changer de stratégie. Elle œuvre dès lors en priorité sur la production d’un carburant pour le transport routier, domaine où les procédures d’homologation sont plus rapides et régulées au niveau national.

Au fond du couloir de son laboratoire, un prototype de grande envergure capable de produire environ 10’000 litres de carburant synthétique par an est en action.

Grâce au prix «Empa Entrepreneur Fellowship» et la bourse qui l’accompagne, la chercheuse tessinoise a décidé de passer la vitesse supérieure en lançant sa propre start-up.

«Mon doctorat s’est transformé apparemment en entreprise. C’est un peu comme se lancer dans l’apprentissage d’une nouvelle langue», nous lance-t-elle en souriant.

Son projet sera appliqué au secteur forestier d’abord, là où des volumes de travail plus modestes et un usage contrôlé du carburant facilitent les tests de marché. La seconde étape consistera à porter la production à un million de litres par année en vue d’un approvisionnement industriel.

Les «inconnues inconnues»

Mais les scientifiques des Laboratoires fédéraux à Dübendorf reconnaissent qu’étendre cette production pour commercialiser ensuite ce carburant reste un défi de taille.

«De nombreux problèmes auxquels nous n’avons pas pensé peuvent apparaître à grande échelle. On les appelle communément les ‘inconnues inconnues’», précise Nathalie CasasLien externe, à la tête du Département énergie, mobilité et environnement de l’Empa.

Jörg Sauer abonde. Il préconise une intégration progressive de ce projet pilote dans un processus de production qui est bien défini. Avec des intrants précis et des objectifs en matière de production chimique qui sont clairement fixés, pour faire en sorte que les conditions d’exploitation puissent être directement liées à la qualité du produit.

Même si sa start-up pourra utiliser des réacteurs industriels existants, produire à haut volume nécessite de gros investissements, des dizaines de millions de francs parfois.

«Si beaucoup d’investisseurs dans le monde s’engagent à financer des technologies respectueuses de l’environnement, le monde change et le contexte actuel est toujours plus difficile», admet Nathalie Casas.

Selon elle, «le rôle de la Suisse consiste à développer et à exporter des innovations. Elle excelle dans ce domaine et elle peut compter aussi sur des entreprises capables de les vendre à travers le monde». Elle ajoute que «le problème n’est pas local, mais global». «Si la Suisse veut aider à décarboner les carburants, sa contribution peut être importante», conclut-elle.

Le professeur Jörg Sauer partage cet avis. Selon lui, la Suisse peut prendre un avantage technologique indéniable grâce «à son excellente recherche fondamentale, qui est à la pointe au niveau mondial, en lien avec des transferts vers des applications pratiques».

Environnement concurrentiel

Malgré les obstacles, Alessia Cesarini est convaincue que la demande et les investisseurs suivront. Outre la durabilité, la sécurité énergétique suscite un vif intérêt, une tendanceLien externe que favorise l’Agence internationale de l’énergie (AIE), explique-t-elle.

«L’urgence de remplacer les combustibles fossiles croît, incitant les acteurs et le marché à explorer des perspectives et la possibilité de collaborations».

À la question de savoir à quel moment les automobilistes pourront enfin acheter une essence respectueuse du climat dans les stations-service de Suisse, elle répond «dès que possible». Et ajoute que le but est de pouvoir réduire les émissions dès maintenant.

«Chaque fois que nous faisons le plein, nous utilisons encore des fossiles. Nous voulons changer cela.»

Texte relu et vérifié par Gabe Bullard/Veronica De Vore, adapté de l’anglais par Alain Meyer/op