La Chine : eldorado naissant des molécules produites à partir de CO2 capté ?
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Dans le domaine des « Carbon Capture and Utilisation » (CCU), la Chine cherche désormais à industrialiser un large panel de procédés. Le pays a récemment vu démarrer des unités commerciales de polyols et de carbonates, qui utilisent du CO2 comme matière première, avec des capacités de production de plusieurs dizaines de milliers de tonnes par an. Une prouesse encore inaccessible en Europe.
Incorporer du CO2 dans les procédés chimiques, cela n’a rien de surprenant. Depuis plus d’un siècle, les industriels en emploient dans la production de carbonate de sodium, de l’urée ou du méthanol. Une matière première, en quasi-totalité fossile, en provenance du vaporeformage du méthane ou encore de la calcination du calcaire. « En France, la valorisation du CO2 dans le secteur de la chimie concernerait quelques centaines de milliers de tonnes par an, principalement pour la production d’urée et de carbonates inorganiques », résume Yann Lesestre, consultant énergie au cabinet de conseil Sia.
Une accélération chinoise
Mais, une vieille marotte de chimistes refait maintenant surface. Ne pourrait-on pas produire davantage de produits chimiques en utilisant du CO2 – préalablement capté de rejets industriels – comme alternative au carbone fossile ? À l’instar de la carbonatation du béton, la conversion chimique s’inscrit dans ces nouvelles voies de valorisation du CO2, les « Carbon Capture and Utilisation » (CUU). Aux alentours de 2015, l’Europe faisait partie des régions les plus actives en matière de déploiement de pilotes industriels. En Allemagne, le chimiste de spécialité Covestro lançait en 2016 une unité de conversion du CO2 résiduel, incorporé à 20 %, en polyols (précurseur du polyuréthane). En Espagne, le groupe pétrolier Repsol démarrait un an après un projet similaire à celui du groupe allemand. Mais ces technologies n’ont jamais donné lieu à des déploiements industriels massifs.
Pourtant, il est un pays qui semble enfin décidé à vouloir réussir ce passage à échelle : la Chine. En 2020, Xi Jinping a dévoilé la politique nationale chinoise de « double carbone », visant à atteindre le pic des émissions de carbone avant 2030 et la neutralité carbone d’ici à 2060. Une stratégie qui compile une ribambelle de dispositifs (fonds vert, prêts à faible coût, marché du carbone…). Les démonstrateurs industriels sur la valorisation du CO2 lancés récemment dans le pays sont désormais des projets à plusieurs dizaines de milliers de t/an de production (contre 5000 t/an pour Covestro), avec l’ambition affichée de multiplier les capacités à terme.
Éclosion d’unités commerciales
En début d’année, une discrète société chinoise a fait parler d’elle dans les journaux de la province d’Anhui (est de Shanghai). Fondée en 2021, l’entreprise Anhui Putan New Materials Technology a lancé une unité de production de polyols à base de CO2 capté d’une capacité de 50 000 t/an, concrétisation de la première phase d’un projet qui devrait, à terme, aboutir à une capacité finale de 300 000 t/an. La plateforme spécialisée ChemAnalyst précise que « une fois la pleine capacité de production atteinte, le projet devrait capter 180 000 tonnes de CO2 par an ».
En 2024, Changhua Chemical Technology, spécialiste des polyols, a entamé la construction d’une usine commerciale de conversion du CO2 capté en polyols, capacité initiale 80 000 t/an, grâce à un catalyseur et un procédé développés par la société britannique Econic Technologies. Fondée en 2011 par Charlotte Williams, professeur de catalyseurs et de chimie des polymères à l’Imperial College de Londres, l’entreprise possède aujourd’hui un procédé exclusif breveté basé sur de la catalyse métallique. « L’usine est en cours de construction en Chine et devrait être mise en service cette année », a rappelé Keith Wiggins, p-dg d’Econic lors d’un webinaire organisé en juin par le cabinet britannique Pantokrator. Il précise aussi qu’un autre site devrait aussi démarrer cette année aux États-Unis. Si le procédé de catalyse utilisé dans les polyols atteint jusqu’à 30 % d’incorporation de CO2 dans le processus, Econic a lancé, en juin, une plateforme technologique afin de produire des éthoxylates de carbonate (tensioactifs innovants), avec un taux d’incorporation de CO2 allant jusqu’à 45 %.
Le pionnier de la valorisation du CO2, le japonais Asahi Kasei a choisi d’octroyer, en 2021, au pétrochimiste chinois Sailboat son premier accord de licence pour un ensemble de technologies permettant de fabriquer du carbonate d’éthylène (EC) et du carbonate de diméthyle (DMC) de haute pureté en utilisant du CO2 industriel classique. Ces deux carbonates sont utilisés comme solvants électrolytiques dans les batterie-lithium-ion des véhicules électriques. Dans ce procédé, le CO2 représente « environ 50 % de la matière première » a souligné la société japonaise. Fin 2024, l’unité commerciale de carbonates implantée à Lianyungang (nord de Shanghai) a été mise en route. Les spécifications de l’usine : 38 000 t/an d’EC et 70 000 t/an de DMC produits, pour 54 000 t/an de CO2 consommé. Asahi Kasei est aussi à l’origine du procédé de polycarbonate sans phosgène (PC) utilisant de l’oxyde d’éthylène (EO) et du CO2 industriel dans ses matières premières. Avec des accords de licences octroyées dès 2002, ce procédé est encore largement répandu dans l’industrie du PC actuellement.
De nombreuses réserves en Europe
Traitements des fumées industrielles, transport de la matière première, prix de l’hydrogène et de l’électron, coût des métaux pour les catalyses… En Europe, les défis engendrés par la valorisation du CO2 à des fins de produits chimiques semblent encore insurmontables. Surtout qu’il faudra d’abord largement en passer par la case R&D. « Dans la valorisation du CO2, il existe plusieurs voies à des degrés de maturité différentes », explique Alban Chappaz, chercheur au CEA-Liten (Grenoble) spécialiste de la valorisation du CO2. « Les procédés catalytiques hétérogènes restent les solutions les plus matures, développées à l’origine pour la chimie du pétrole et des dérivés pétroliers. Mais une chimie plus douce se développe avec des catalyseurs homogènes ou alors avec des catalyseurs biologiques (enzymes) qui sont globalement à un niveau de maturité moins élevé. » D’autres procédés, encore au stade de la R&D, sont aussi explorés comme l’électrochimie, la photochimie ou des voies métaboliques.
Sourcer la matière première est aussi un obstacle important. Le CO2 peut être capté dans l’atmosphère (concentration de 0,4 %), en sortie de cheminées industrielles (concentration de l’ordre de 10 %) ou dans le biogaz purifié issu de la méthanisation (concentration à 90 %). Plus le CO2 est concentré, moins l’extraction nécessite d’énergie. « Actuellement, seule l’extraction de CO2 dans le biogaz est industrialisée, car les technologies de capture dans les fumées industrielles et dans l’air restent au stade de démonstrateurs » , explicite un rapport du Sénat sur la décarbonation dans le secteur de l’aéronautique. Une fois le CO2 capté, reste encore à désorber la molécule (NDLR : libérer le dioxyde de carbone capturé et absorbé par chauffage ou par l’application d’autres formes d’énergie) avant utilisation. En Chine, les projets lancés récemment autour des nouvelles méthodes de fabrication de produits chimiques à partir de CO2 n’emploient pas tous du CO2 capté. Si l’entreprise Anhui Putan New Materials Technology mentionne l’utilisation de gaz résiduaires industriels pour son procédé catalytique de polymérisation du CO2 en polyols, Asahi Kasei choisit de se rabattre à l’heure actuelle sur du CO2 industriel classique, de haute pureté et concentré, pour ses technologies.
En France, les autorités émettent d’importantes réserves à l’égard de la synthèse de produits chimiques à partir de CO2. En juillet 2024, le ministère de l’Économie a dévoilé une feuille de route nationale dénommée « État des lieux et perspectives de du CCUS en déploiement France », premier document français de référence sur la création d’une chaîne de valeur. Sur l’incorporation de CO2 dans les produits chimiques, le document souligne la nécessité de soutien « en termes de R&D et d’industrialisation, étant donné le coût actuellement encore élevé de ces procédés, et leur consommation d’énergie et d’eau [NDLR : production d’hydrogène par électrolyse principalement] ».
Miser sur des marchés à forte valeur ajoutée
Et les prévisionnistes restent aussi mitigés quant à l’avenir des produits chimiques synthétisés à partir de CO2 dans le pays « En termes de volumes et de potentiels de marchés, le marché des e-fuels nous semblent le développement le plus important. Loin derrière, on retrouve la culture des microalgues, la carbonatation du béton ou encore la fumigation pour lutter contre les insectes et les nuisibles, solution de bioprotection pour laquelle Air Liquide a obtenu une autorisation de mise sur le marché en 2024. D’autres usages du CO2 avec des potentiels de marchés inférieurs viennent compléter la liste. Y figure notamment l’industrie des polymères et notamment la synthèse des polyols, accompagnée d’autres usages de niche comme les carbonates de sodium ou l’acide formique », résume ainsi Yann Lesestre, en citant une étude réalisée par son cabinet Sia sur les nouveaux usages du CO2 en France à l’horizon 2050.
« Ce ne sont pas tant les verrous scientifiques qui empêchent le développement des technologies », souligne Alban Chappaz. « Ce sont plus des problématiques socio-économiques ». Pour le chercheur du CEA-Liten, des taxations suffisantes sur le CO2, des interdictions d’émettre ou encore la détaxation des molécules produites de manière plus durable sont autant de leviers législatifs pour inciter les industriels à s’intéresser à cette filière et à finir par déployer ces technologies à grande échelle. La désirabilité des solutions proposées et l’acceptabilité des technologies par le grand public est aussi un axe à ne pas négliger. « Le driver peut être soit économique, soit législatif, soit que le législatif finisse par rendre l’économique viable », complète Alban Chappaz. Reste encore la possibilité de cibler des marchés de niche, capables de supporter le coût d’un produit chimique alternatif plus cher à produire, mais mieux sourcés.
En globalité, le marché des polyols est mixte, avec des segments standards (marges plus faibles), mais aussi des filières de spécialités en croissance, désireuses d’aller vers des alternatives plus biosourcées et haute performance. L’EC reste stratégique dans la filière batterie : la demande est en forte croissance avec l’essor des véhicules électriques et du stockage d’énergie. Même chose pour le DMC, qui sert aussi d’intermédiaire chimique dans le procédé de polycarbonate sans phosgène d’Asahi Kasei en plus d’autres applications. A voir si l’Europe veut revenir dans le jeu.
L’électrolyse directe du CO2… Une voie prometteuse développée par Dioxycle
Fondée en 2021, la start-up Dioxycle développe une technologie d’électrolyse de conversion des émissions industrielles de CO2 en molécules d’intérêt. Déjà en possession d’un pilote à Saint-Ouen (Seine-Saint-Denis), les deux dirigeants espèrent déployer un démonstrateur industriel d’ici à 2028.
Un procédé de valorisation du CO2 capté en une étape, à basse température (40-80 °C) et entièrement électrique. C’est pour relever ce défi que la start-up Dioxycle s’est lancée en 2021. « Nous utilisons de l’électricité pour réactiver le CO2 (ou le CO) dans un électrolyseur en présence d’eau pour obtenir en sortie des produits chimiques » , résume Sarah Lamaison, la cofondatrice. Les produits : des molécules carbonées de un à trois carbones comme de l’éthylène, de l’acide carboxylique, formique… L’équipe de la start-up, basée à Saint-Ouen (Seine-Saint-Denis) et à Menlo Park (Californie), amis au point un électrolyseur configuré comme un empilement de surface catalytique. Une innovation issue des travaux académiques sur l’électrolyse du CO2 menés pendant cinq ans par les deux co-fondateurs entre les universités de Cambridge, Stanford et le Collège de France. « Nous avons notre pilote d’électrolyseur industriel en interne, il tourne sur le site de Saint-Ouen », souligne Sarah Lamaison. La prochaine étape : un démonstrateur industriel que la co-fondatrice espère voir démarré d’ici à 2028.
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Technologiquement on sait faire tout ça, y compris en France (voir les start-up Dioxycle, Elyse Energy, Fermentalg, pour ne citer qu’elles) ou à l’échelle internationale LanzaTech, ou Twelve. Le problème est plutôt d’ordre économique me semble t-il (tant qu’il y a des subventions cela fonctionne…)
Après, si j’osais, je relèverais le fait que la Chine n’est pas, en la matière (volonté de décarbonation), le meilleur élève mondial, loin de là
