Les verrous

Le passage de l’échelle laboratoire à l’échelle industrielle s’avère complexe pour de multiples raisons. Elles peuvent être technologiques, économiques ou encore environnementales.

1.2.5.1. Technologiques

Le processus de valorisation du dioxyde de carbone se caractérise par plusieurs étapes clés : le captage, le stockage et pour finir l’utilisation (avec ou sans transformation). Pour chacune de ces filières plusieurs problèmes techniques doivent être pris en considération. Les procédés de captage du CO2

sont encore au stade du développement. Bien que certaines technologies soient matures, la charge financière reste importante. S’il est vrai que les procédés de captage post-combustion s’avèrent simples à mettre en œuvre, les coûts énergétiques pour l’extraction du dioxyde de carbone et sa purification sont encore bien trop élevés. Le développement d’une nouvelle génération d’absorbants permettrait de diminuer ces dépenses et de populariser ces technologies auprès de nombreuses industries, notamment dans le secteur de l’énergie.Outre le captage, le stockage du dioxyde de carbone représente un défi de taille. Plusieurs solutions sont d’ores et déjà proposées ; elles sont fondées sur l’utilisation de formations géologiques profondes. Bon nombre de procédés existent pour piéger le CO2, mais seul le procédé Enhanced Oil Recovery (EOR) est utilisé. De plus amples recherches

doivent être menées afin de pouvoir garantir la sécurité des sites potentiels. L’utilisation de dioxyde de carbone en tant que réactif reste difficile en raison de sa stabilité.

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Indépendamment du coût énergétique élevé que requiert son activation, l’utilisation de catalyseurs représente un frein au développement industriel de certains procédés. En effet, bien qu’ils permettent à de nombreuses réactions de se produire, ils restent extrêmement sensibles et peuvent se désactiver rapidement. La présence d’impuretés au sein du mélange réactionnel ou bien la formation de coke peuvent réduire l’efficacité du catalyseur. De nombreuses recherches sont en cours afin de trouver les matériaux adéquats, offrant un excellent compromis en conversion, sélectivité et durée de vie.

1.2.5.2. Economiques

Des verrous technologiques découlent des verrous économiques. L’industrie pétrolière peut être

considérée comme un adversaire conséquent pour le développement d’une économie s’axant autour

du CO2. En effet, les procédés d’extraction, de distillation et de purification issus de la pétrochimie sont

bien connus et optimisés afin d’obtenir des rendements optimaux. Les produits issus du pétrole sont ainsi bon marché et peuvent s’intégrer dans de nombreux secteurs tels que l’énergie ou la chimie.

Les coûts énergétiques nécessaires à l’activation du CO2, son captage et son stockage sont encore trop

importants pour pouvoir être compétitifs. Au-delà du souhait de réduire son impact environnemental, une véritable économie doit se créer autour du dioxyde de carbone. Pour cela, il est donc primordial de développer des technologies optimisées et rentables.

1.2.5.3. Environnementaux

La valorisation du dioxyde de carbone repose sur le désir de diminuer les émissions de gaz à effet de serre. Il est donc légitime que les procédés mis en œuvre pour réaliser cette valorisation aient un faible impact sur l’environnement. Cependant, les verrous technologiques mentionnés plus haut montrent qu’il est nécessaire d’apporter une forte quantité d’énergie, que ce soit pour capter, stocker ou valoriser le CO2. Pour être les plus verts possible, ces procédés doivent se baser sur l’utilisation de

ressources renouvelables comme l’éolien, l’hydroélectricité ou encore le solaire. Les procédés qui utilisent l’énergie électrique pour activer le CO2 pourront alors se développer, tout en réduisant leurs

émissions. La thermochimie, technologie qui se base sur le rayonnement solaire, représente une bonne alternative à l’utilisation de fours gourmands en énergies. Il est aussi important de réduire la quantité de catalyseurs, car indépendamment du fait qu’ils nécessitent une régénération (calcination ou réduction), leur coût de production (synthèse, extraction, purification, calcination) induit une demande énergétique importante, et donc des émissions de CO2. Il faut toutefois garder à l’esprit que

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Des études complémentaires sont nécessaires afin de déterminer leurs impacts au travers d’analyses de cycles de vie. Il sera donc par la suite aisé de pouvoir comparer les procédés conventionnels aux procédés issus de la filière du dioxyde de carbone.

Pour conclure, présent en grande quantité, le CO2pourrait s’intégrer dans bon nombre de réactions.

La recherche se concentre sur le développement et l’optimisation de différentes voies de valorisation. Bien que de nombreuses réactions puissent être envisageables, le dioxyde de carbone est une molécule stable dont l’activation requiert un apport d’énergie important. Cette source d’énergie peut être thermique, électrique ou encore biologique. Outre la dépense énergétique, les faibles rendements obtenus freinent le développement au niveau industriel. L’utilisation de catalyseurs permet d’accroître les conversions ainsi que les sélectivités en diminuant l’énergie d’activation de la réaction. Toutefois, leurs coûts et leur stabilité demeurent de réels verrous pour le développement de procédés catalytiques au niveau industriel. De nouvelles techniques d’activation se développent et permettent d’activer le dioxyde de carbone à basse température. C’est dans ce contexte de valorisation du CO2

que l’utilisation du plasma non-thermique s’intègre.

2. Le plasma

Le dioxyde de carbone constitue une molécule réfractaire dont l’activation reste difficile même à de hautes températures. L’utilisation de catalyseurs permet d’augmenter les conversions, mais le coût et la stabilité des catalyseurs demeurent un verrou au développement industriel des procédés catalytiques. Les fortes températures utilisées entraînent la formation de carbone qui empoisonne les matériaux ; une régénération devient donc nécessaire.

C’est dans ce contexte que le plasma peut se développer. Il peut fournir l’énergie nécessaire à l’activation du CO2 sans pour autant travailler à haute température. Cette partie vise à examiner les

plasmas et plus précisément le plasma non-thermique.

2.1. Généralités

2.1.1. Définition

L’univers est composé à 99% de plasma [82], qui peut se présenter sous des formes diverses et variées. Les aurores boréales, les étoiles, la haute atmosphère terrestre ou encore la foudre sont des représentations de cet état de la matière.

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Une molécule peut passer sous plusieurs états en fonction de la température appliquée. Plus la température est importante, plus l’énergie apportée à la molécule sera grande. Il s’ensuivra une évolution de son état, passant de solide à liquide et enfin gazeux.Toutefois, lorsque l’énergie est trop importante, les molécules peuvent s’ioniser. Cela se traduit par la formation de charges positives et négatives au sein du milieu. Qui plus est, certaines liaisons peuvent se briser et créer des radicaux qui se recombinent. Cet état est caractéristique du plasma et représente le quatrième état de la matière. Le plasma représente donc un gaz totalement ou partiellement ionisé, composé d’une multitude d’espèces telles que des électrons, des ions et des radicaux. Plusieurs paramètres le caractérisent, comme la température, la densité ou encore la pression dans le milieu. Cet état a été observé pour la première fois en 1879 par William Crookes. Par la suite, Sir Joseph John Thomson a identifié la nature de ce nouveau milieu en 1897, mais ce n’est qu’en 1928 qu’Irving Langmuir a introduit le terme « plasma ». Il a choisi ce terme car il a observé certaines similarités avec le plasma sanguin, notamment le transport d’une multitude de composés.

De nos jours il est possible de créer artificiellement du plasma. Il est notamment présent dans de nombreuses technologies allant de la fusion nucléaire à la soudure à l’arc, en passant par la dépollution ou la production d’ozone. Néanmoins, il est important de préciser les différents types de plasmas qui existent.