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Mettre en pratique les idées d'entreprises favorables au climat
Les preuves ne manquent pas pour ce que le cinquième rapport d'évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) décrit comme un «réchauffement sans équivoque du système climatique». À aucun moment au cours des 800 000 dernières années, la concentration de gaz à effet de serre dans l'atmosphère n'a été aussi élevée qu'aujourd'hui. Depuis 1750, l'activité humaine a provoqué le rejet de 555 milliards de tonnes de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, ce qui a augmenté la concentration de dioxyde de carbone de 40 % par rapport aux niveaux préindustriels. Entre 1880 et 2012, la température moyenne de la surface de la Terre a augmenté de 0,85 degré Celsius. Et avec la diminution constante de la couverture neigeuse et glaciaire mondiale, le niveau des mers augmente en moyenne de 3 millimètres par an.
Les scientifiques sont uni·es dans leur conviction que l'humanité doit faire tout ce qui est en son pouvoir pour ralentir la hausse de la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, voire l'inverser. Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont redoublé d'efforts pour trouver des solutions potentielles au changement climatique. Et ils et elles sont de plus en plus nombreuses et nombreux à s'aventurer au-delà des murs du monde universitaire et à s'efforcer de mettre en pratique des idées commerciales favorables au climat. Sur les 242 spin-offs créées à l'ETH Zurich depuis 2010, 34 cherchent des moyens de lutter contre le réchauffement climatique. Dans cet article, nous examinons de plus près deux exemples : l'un du secteur de l'énergie, l'autre de l'industrie de la construction.
Des carburants neutres en carbone, fabriqués à partir de la lumière du soleil et de l'air
Depuis sa fondation en 2016, Synhelion travaille sur un projet qui semble presque trop beau pour être vrai : une technologie solaire qui peut inverser le processus de combustion. La mission de l'entreprise est de produire des carburants liquides synthétiques exclusivement à partir de la lumière du soleil et de l'air. Connus sous le nom de combustibles solaires, ceux-ci ne libèrent lors de leur combustion que la quantité de CO2 qui était auparavant extraite de l'air pour les produire, ce qui leur donne la possibilité de rendre l'industrie des transports pratiquement neutre en carbone. Pris dans leur ensemble, les transports aériens, maritimes et routiers rejettent actuellement quelque huit milliards de tonnes de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, ce qui les rend responsables d'un quart des émissions anthropiques de CO2.
«Nous pensons que les combustibles solaires liquides ont un rôle important à jouer dans la transition énergétique», déclare Gianluca Ambrosetti, PDG de Synhelion. Il souligne à juste titre qu'aucun autre vecteur énergétique ne se rapproche de la densité énergétique et des capacités de stockage à long terme des combustibles liquides. «De plus, nos combustibles solaires sont une technologie d'appoint, ce qui signifie qu'ils ne nécessitent aucune infrastructure supplémentaire», ajoute Gianluca Ambrosetti. «Ils peuvent être traités dans les raffineries existantes et distribués via le réseau de stations-service déjà en place».
Rayonnement solaire très concentré
L'ingénieuse technologie solaire de Synhelion est basée sur trois innovations développées à l'origine par un groupe de recherche dirigé par Aldo Steinfeld, professeur de porteurs d'énergie renouvelable à l'ETH Zurich. Synhelion cherche maintenant à faire passer ces innovations à un niveau supérieur. La première est le récepteur solaire, une chambre noire contenant un gaz à effet de serre. Le rayonnement solaire - concentré plusieurs milliers de fois par des miroirs - traverse la fenêtre en verre de quartz qui se trouve devant cette chambre et chauffe le gaz à plus de 1 000 degrés Celsius. La deuxième innovation est la technologie de la mousse céramique utilisée dans le réacteur thermochimique. Lorsqu'il est chauffé à une température suffisante par le gaz chaud, ce réacteur est capable de séparer l'eau et le dioxyde de carbone pour produire un gaz de synthèse, un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone. Les méthodes conventionnelles peuvent ensuite être utilisées pour convertir ce gaz de synthèse en combustibles liquides tels que le méthanol, l'essence et le kérosène. La troisième innovation est un système de stockage de l'énergie thermique qui peut être utilisé pour piloter les processus du réacteur la nuit ou par temps couvert.
Un an et demi s'est écoulé depuis qu'Aldo Steinfeld et son équipe ont mis en place une mini-raffinerie, qui produit environ un décilitre de méthanol par jour, sur le toit du bâtiment Machine Laboratory de l'ETH Zurich. «Cette usine pilote prouve que nous pouvons fabriquer un carburant durable à partir de la lumière du soleil et de l'air dans des conditions réelles», déclare le professeur.
Le prochain objectif, selon Gianluca Ambrosetti, est de développer les processus, d'accroître l'efficacité et de réduire les coûts. Le PDG reconnaît que les gens peuvent avoir des doutes quant à l'extensibilité : «Je pense qu'il faudra encore au moins cinq ans avant que nous puissions commencer à utiliser cette technologie à l'échelle industrielle». C'est pourquoi Synhelion développe une solution provisoire, connue sous le nom de «solar upgrading», pour réduire le délai de mise sur le marché. «En ajoutant du méthane au mélange de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone, la température nécessaire à la conversion thermochimique en gaz de synthèse peut être réduite à 800 degrés Celsius», explique Gianluca Ambrosetti. «Cela simplifie l'ensemble du processus, ce qui signifie qu'il ne devrait nous falloir que deux ans de plus pour arriver au point où nous pouvons produire des combustibles solaires abordables qui libèrent la moitié des émissions nettes de CO2 des combustibles fossiles».
Transformer le dioxyde de carbone en pierre
Neustark - une spin-off de l'ETH Zurich fondée en 2019 - poursuit un modèle commercial basé sur un concept entièrement différent. L'entreprise développe une technologie qui transforme le dioxyde de carbone en pierre en le liant à des agrégats de béton, le transformant ainsi en calcaire de haute qualité. Les avantages comprennent à la fois un agrégat amélioré et le stockage à long terme du carbone. «L'industrie de la construction n'a jusqu'à présent fait que peu de progrès en matière de réduction des émissions, et ce parce qu'une grande partie de la recherche est simplement classée et n'est jamais utilisée», explique Johannes Tiefenthaler, l'un des deux fondateurs de la spin-off. «J'aimerais voir l'effort que je mets dans mon doctorat faire une différence tangible quelque part.»
Dans le cadre de son master, Johannes Tiefenthaler étudiait déjà différentes façons de convertir le dioxyde de carbone en calcaire en le faisant réagir avec des minéraux. Il y a suffisamment de minéraux sur Terre pour lier des centaines de milliards de tonnes de dioxyde de carbone. Cependant, beaucoup d'entre eux - comme le silicate de magnésium - ne sont pas particulièrement réactifs, ils doivent donc d'abord être chauffés à 700 degrés Celsius. En revanche, les débris de démolition brisés en agrégats de béton se sont avérés très réactifs en raison de l'énorme surface totale des nombreuses particules, chacune d'une taille de quelques millimètres seulement. En conséquence, les agrégats de béton forment des composés chimiques très stables avec le dioxyde de carbone, sans qu'aucun traitement préalable ne soit nécessaire.
«Ce que j'aime dans cette solution, c'est qu'elle est prête à l'emploi maintenant, et pas seulement dans cinq ou dix ans», déclare l'économiste Valentin Gutknecht, le deuxième fondateur de Neustark. Le principal défi actuel, dit-il, est de jongler avec toutes les différentes questions en jeu. «En plus de s'assurer que les propriétés du béton sont exactement les bonnes, nous devons également naviguer dans la toile alambiquée de la certification du CO2.»
Les émissions négatives de CO2 offrent des avantages économiques
Alors que Johannes Tiefenthaler travaille au département de génie mécanique et des procédés pour fournir la prochaine génération de technologie pour la minéralisation du dioxyde de carbone, Valentin Gutknecht et une équipe d'employé·es toujours grandissante se concentrent sur l'aspect opérationnel de l'entreprise. Dans le cadre d'un projet financé par l'Office fédéral de l'environnement et la Fondation suisse pour le climat, Neustark a mis en place une usine pilote à la fabrique de béton Kästli à Rubigen, près de Berne. Une partie de cette usine pilote est un conteneur orange vif, semblable à une benne, dans lequel du CO2 liquide est ajouté aux gravats des structures en béton démolies. Après avoir trempé dans le bain de dioxyde de carbone pendant environ deux heures, les morceaux de gravats de béton peuvent toujours avoir le même aspect, mais ils pèsent beaucoup plus lourd car les minuscules pores de la surface rugueuse du béton ont absorbé environ 10 kilogrammes de CO2 par mètre cube.
Le dioxyde de carbone forme une liaison chimique avec l'oxyde de calcium des gravats de béton. Cela produit des cristaux de calcaire, ce qui améliorent considérablement les qualités de l'agrégat du béton : en utilisant cet agrégat recyclé et amélioré pour fabriquer du béton frais, on peut obtenir la même résistance et la même rigidité avec moins de ciment. La production de béton dans le monde libère chaque année plus de 2 milliards de tonnes de dioxyde de carbone dans l'air. Cela représente environ 7 % des émissions anthropiques de CO2. En réduisant la quantité de ciment nécessaire à la construction, la technologie de Neustark peut aider à réduire l'empreinte carbone de l'industrie en éliminant certaines des émissions qui se produiraient sinon lors de la production de ciment.
Mais Johannes Gutknecht et Valentin Tiefenthaler s'empressent de souligner un autre avantage important : grâce à leur méthode ingénieuse de capture du dioxyde de carbone de l'air, en l'imbibant dans les pores des agrégats de béton et en le liant de façon permanente au calcaire, ils peuvent même inverser les émissions de CO2. «Il y a très peu de concepts techniques qui permettent d'obtenir de véritables émissions négatives», explique Johannes Tiefenthaler. L'utilisation de ces concepts a jusqu'à présent été limitée en raison d'un manque de systèmes d'incitation et de modèles commerciaux efficaces. «C'est là que notre méthode est unique, car elle montre comment le fait de lier le dioxyde de carbone peut créer une valeur ajoutée. Les qualités améliorées du granulat de béton prouvent que les émissions négatives ne doivent pas nécessairement augmenter les coûts, mais qu'elles peuvent en fait apporter des avantages économiques», déclare Valentin Gutknecht.