Cet article fait partie des 112 cas de l’économie bleue.

Cet article fait partie d’une liste de 112 innovations qui façonnent l’économie bleue. Il s’inscrit dans le cadre d’un vaste effort de Gunter Pauli pour stimuler l’esprit d’entreprise, la compétitivité et l’emploi dans les logiciels libres. Pour plus d’informations sur l’origine de ZERI.

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Cas 65 : Zéro émission Hydrogène

Mar 8, 2013 | 100 Innovations, Autre

Le marché

Le marché mondial du carbone est évalué à 52 milliards de dollars. Le carbone est le quatrième élément le plus abondant dans l’univers. Sa consommation a progressivement évolué du noir de carbone en vrac pour les pigments de couleur et les pneus (1 000 dollars par tonne), du charbon actif pour les filtres à eau (2 000 dollars par tonne), des fibres de carbone pour les textiles solides et les pièces de carrosserie automobile où il peut remplacer l’acier (25 000 dollars par tonne) vers les nanotubes de carbone avancés pour les industries médicales des semi-conducteurs, pour ne nommer que ceux-là (plus de 150 000 dollars par tonne). À l’avenir, le carbone transformé en graphène, un matériau en forme de nid d’abeille ressemblant à un grillage de l’épaisseur d’un atome, qui devrait devenir un composant essentiel des cellules solaires, des électrodes et des transistors, va accroître la demande mondiale. Le prix de revient d’un centimètre carré de graphène est encore supérieur à un million de dollars, mais d’ici 2050, le graphène pourrait être l’un des composants les plus importants et les plus efficaces de l’industrie, fabriqué à partir de carbone largement disponible dans l’atmosphère, connu pour être en excès et provoquer le changement climatique. Le marché mondial du noir de carbone en 2010 était estimé à 12 milliards de dollars. Les marchés chinois et indien connaissent une croissance rapide de 8 à 10 % par an, principalement en raison de l’augmentation des ventes automobiles. Le noir de carbone est généralement utilisé dans les pneus pour améliorer la résistance et pour évacuer la chaleur, améliorant ainsi la durabilité du caoutchouc. Le noir de carbone est également vendu comme pigment dans les photocopieurs et les imprimantes, comme neutralisant des ultraviolets dans les plastiques, par exemple dans les tuyaux d’eaux noires, et comme version haut de gamme, il est utilisé dans l’absorption radar. Un autre marché de vrac possible pour le carbone est le mélange et le remplacement de certains engrais minéraux avec des noirs de carbone (500 dollars par tonne), puisque les terres cultivées subissent une perte de carbone causée par l’agriculture industrielle. Cependant, le marché mondial a été caractérisé par une offre excédentaire due notamment à l’expansion de Cabot en Chine, en Indonésie, au Brésil et en Argentine. Le plus grand fournisseur en volume est le groupe indien Aditya Birla qui a dépassé Cabot (États-Unis) et Evonik (Allemagne) par l’acquisition de Columbian Chemicals, un producteur américain, pour une capacité de production combinée de 2 millions de tonnes et un chiffre d’affaires d’environ 2 milliards de dollars. Evonik envisage de vendre sa division spécialisée dans le noir de carbone afin de se concentrer sur la chimie de spécialité.

L’innovation

Le noir de carbone en suspension dans l’air est devenu une préoccupation environnementale majeure. Lorsqu’il est libéré librement dans l’air, il constitue un polluant que l’on trouve généralement dans les villes et à proximité. Goodyear a réussi à remplacer le noir de carbone par un polymère à base d’amidon biodégradable, fourni par Novamont (voir Cas 20). Cependant, cela n’est pas devenu une application courante. Autrefois, la source de noir de carbone était les os calcinés, les vins de raisins desséchés et la suie provenant de la combustion du pétrole. La transformation moderne a évolué en une vaste fabrication industrielle utilisant les plus lourdes fractions de pétrole provenant des raffineries. Cependant, la plus grande installation jamais mise en service n’a été opérationnelle que pendant trois ans à Montréal, au Canada, en utilisant du gaz naturel et du pétrole comme matières premières. La principale production était l’hydrogène, et le noir de carbone en était le sous-produit. Malheureusement, le coût élevé de la matière première (pétrole ou gaz naturel) a rendu l’opération non compétitive. Per Espen Stoknes a étudié des moyens novateurs de produire de l’hydrogène et a exploré de nombreuses alternatives. Il a rencontré l’inventeur britannique Phil Risby, qui avait étudié de nombreuses applications des technologies du plasma, y compris le fractionnement du méthane. Per Espen avait été attiré par le concept de zéro émission pour la mobilité, un concept qui semble viable si l’hydrogène fournit l’énergie. En 2008, ils ont créé GasPlas AS, une entreprise anglo-norvégienne et ils ont commencé à étudier comment créer un puits de carbone tout en utilisant des sources d’énergie propres. Stimulés par la décision de Daimler de tester des voitures à hydrogène en Norvège, ils ont entrepris de concevoir une véritable filière renouvelable à partir du biogaz. La conversion de la matière organique provenant des déchets alimentaires, des excréments d’animaux et même des eaux noires des ménages en biogaz a été améliorée avec succès par Scandinavian Biogas (voir cas 51). Ceci offre un riche approvisionnement en CO2 et en méthane. L’équipe de recherche de GasPlas AS a conçu un réacteur révolutionnaire qui convertit le méthane avec plasma froid en hydrogène et en noir de carbone. À l’aide de composants micro-ondes standard bon marché, ils ont créé un réacteur à plasma et breveté les composants correspondants. L’innovation GasPlas utilise des ondes électromagnétiques courtes (plus longues que l’infrarouge et plus courtes que les ondes radio) pour convertir le méthane en son état de plasma. La physique nous a traditionnellement appris à travailler avec trois états : solide, liquide et gazeux. Les micro-ondes convertissent le méthane en son quatrième état, l’état de plasma, un gaz ionisé qui rompt les liaisons carbone et hydrogène pendant des fractions de seconde avant d’encourager ces éléments à se recombiner en carbone solide et hydrogène gazeux. Puisque les micro-ondes se couplent aux électrons et non à l’atome, la température de sortie se situe entre 200 et 400 degrés, d’où le concept de plasma froid, puisque le plasma thermique nécessite une température dix fois supérieure. Ceci rend le procédé viable à faible consommation d’énergie et avec des matériaux bon marché.

Le premier flux de trésorerie

GasPlas, aujourd’hui présidée par Per Espen, s’est vite rendu compte qu’elle possède une technologie de plate-forme qui a le potentiel de changer le modèle économique, non seulement pour la production d’hydrogène, mais aussi pour la fabrication de noir de carbone, et de nombreuses autres entreprises pourraient être touchées. Comme le méthane provenant des décharges et du bétail est à l’origine de 12 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, l’équipe de GasPlas propose d’utiliser du plasma froid pour potentiellement transformer cet hydrocarbure abondant en énergie négative en carbone et en engrais. Alors que le plasma a déjà été utilisé pour produire de l’hydrogène, Phil Risby et l’équipe de recherche de GasPlas ont trouvé un moyen de faire fonctionner le nouveau réacteur en mode continu, ainsi que sur demande (pas seulement par lots), à la pression atmosphérique (pas à proximité du vide) et en quantités industrielles (pas seulement pour des applications de très haut niveau et à faible volume). De plus, même si le réacteur pourrait être transposé à plus grande échelle, la possibilité de construire des réacteurs qui permettent un traitement continu sur place ouvre une nouvelle fenêtre pour les entreprises concurrentielles locales. Le premier réacteur conçu cet automne est capable de produire jusqu’à 100 kilogrammes d’hydrogène (H2) et 300 kg de carbone par jour.

L’opportunité

Si et lorsque cinq autobus diesel devaient fonctionner pendant 20 ans avec de l’hydrogène produit à partir de biogaz, alors au lieu d’avoir émis 5 000 tonnes de CO2, ces autobus auraient utilisé 6 100 tonnes de gaz à effet de serre. Cela place la puissance de l’hydrogène dans un tout nouveau contexte. L’exploitation d’une petite unité reliée à une source stable de biogaz pourrait produire 200 kg de H2, générant un chiffre d’affaires annuel d’environ 650 000 euros. Le noir de carbone peut être vendu pour un bénéfice inattendu supplémentaire d’environ 10%. S’ils étaient stockés dans des matériaux de construction ou séquestrés dans le sol, le fonctionnement de ces autobus serait en fait négatif en carbone, c’est-à-dire qu’il serait rentable d’extraire le CO2 de l’atmosphère. Plus l’on conduit des autobus ou des voitures à hydrogène, moins il y aura de CO2 dans l’air. Alors que Per Espen voit de nombreuses applications au-delà du transport, comme le traitement des déchets agricoles, la production de produits chimiques clés comme le méthanol et l’éthylène, sa vision est de créer un système local intégré. Afin de surmonter les goulots d’étranglement de la production, de la consommation et de la disponibilité de l’hydrogène, dont le stockage reste coûteux, il prévoit un conteneur capable de fournir de l’hydrogène comme source de combustible à la demande. Ainsi, au lieu de produire de l’hydrogène de façon centralisée et de l’expédier ensuite dans le monde entier, on ferait de n’importe quelle installation de biogaz – même à une échelle relativement petite – une source de revenus, générant des revenus plus élevés pour la gestion des déchets tout en capturant du CO2 de manière rentable. L’un des attraits de cette plateforme technologique est que la même approche de l’hydrogène pourrait être appliquée à la synthèse de l’azote gazeux à partir de l’air, offrant ainsi un engrais azoté de qualité industrielle pour l’agriculture. Le même type de réacteur à plasma pourrait être mis au point pour fabriquer des combustibles liquides à partir de matières premières gazeuses. L’application révolutionnaire de la technologie du plasma froid offre la possibilité de convertir les coûts en revenus, l’une des principales caractéristiques de l’économie bleue. Cela permet de réduire les coûts liés aux déchets, généralement couverts par des taxes, offrant ainsi une chance supplémentaire de réduire les impôts. C’est peut-être l’un des climats d’affaires les plus encourageants pour stimuler l’esprit d’entreprise – des modèles d’affaires qui permettent une réduction des taxes locales en temps de crise.

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