Alors que l'industrie aéronautique mondiale s'efforce de réduire son impact sur l'environnement, la course est lancée pour développer des carburants aéronautiques durables (SAF) capables de remplacer le carburéacteur traditionnel à base de pétrole. Une solution prometteuse réside dans une source improbable : la lignine, un biopolymère abondant. Des chercheurs viennent de mettre au point un nouveau procédé permettant de convertir directement la lignine en hydrocarbures de haute qualité pour carburéacteur, ouvrant ainsi la voie à un avenir plus durable pour les transports aériens.

Le défi des carburants durables pour l'aviation

Le secteur de l'aviation est l'un des principaux responsables des émissions de gaz à effet de serre dans le monde, puisqu'il représente environ 2 à 3 % du total mondial. Le transport aérien devant connaître une forte reprise au cours des prochaines décennies, la pression est forte pour trouver des moyens de décarboniser l'industrie. Les FAS sont apparus comme un élément clé de la solution, car ils offrent la possibilité de réduire les émissions par rapport au carburéacteur conventionnel.

La plupart des SAF actuels sont produits à partir de lipides végétaux et animaux, tels que les huiles végétales et les graisses animales. Toutefois, la disponibilité limitée de ces matières premières ne permet pas d'augmenter leur production pour répondre à l'augmentation prévue de la demande de carburéacteur à l'avenir. "Il est communément admis qu'une multitude de nouvelles voies seront nécessaires pour atteindre l'objectif de zéro émission nette pour l'aviation en 2050", explique Bin Yang, professeur à l'université de l'État de Washington et auteur principal de la nouvelle étude.

Une autre difficulté réside dans le fait que de nombreux FAS n'ont pas les propriétés souhaitées du carburéacteur classique. "De nombreuses compagnies aériennes limitent l'utilisation directe de ces FAS et équilibrent leur carburant avec du kérosène conventionnel pour remédier aux problèmes de densité, de gonflement des joints et d'autres composants", explique M. Yang. Cela est dû en grande partie à l'absence de certaines classes d'hydrocarbures, telles que les aromatiques et les cycloalcanes, qui sont importantes pour la compatibilité et les performances du carburant.

Exploiter le potentiel de la lignine

C'est le cas de la lignine, un polymère aromatique complexe qui est le deuxième polymère naturel le plus abondant sur Terre après la cellulose. La lignine est un sous-produit de divers processus de bioraffinage, dont environ 300 millions de tonnes sont produites chaque année dans le monde. "La lignine a la capacité de produire un polymère à structure aromatique qui peut servir de base à la production de carburants, de produits chimiques et de matériaux", explique M. Yang.

Des recherches antérieures menées par le groupe de Yang et d'autres ont montré qu'il était possible d'utiliser la dépolymérisation catalytique et l'hydrodésoxygénation (HDO) pour convertir la lignine en hydrocarbures utilisables dans les carburants pour moteurs à réaction. Ces procédés peuvent produire sélectivement un mélange de cycloalcanes - une classe d'hydrocarbures qui peut potentiellement se substituer aux aromatiques dans le carburéacteur, en offrant des propriétés comparables de densité et de gonflement des joints d'étanchéité.

Cependant, le défi a consisté à développer un procédé à flux continu capable de gérer la complexité des matières premières de lignine technique. "Il est essentiel de relever les défis posés par la nature hétérogène de la lignine pour réussir le traitement de la lignine technique dans les réacteurs à flux continu", explique M. Yang.

Une avancée dans la conversion continue de la lignine

Dans leurs derniers travaux, publiés dans la revue Fuel Processing Technology, les chercheurs présentent un nouveau procédé de "dépolymérisation et hydrodésoxygénation simultanées" (SDHDO) qui permet de convertir en continu la lignine en hydrocarbures de haute qualité pour carburéacteur.

La clé de leur approche est un catalyseur bifonctionnel, appelé Ru-HY-60-MI, qui combine un support zéolithique acide avec des nanoparticules de ruthénium hautement dispersées. "La conception et la synthèse de catalyseurs bifonctionnels efficaces et sophistiqués pour l'HDO directe de la lignine est un défi", explique Adarsh Kumar, premier auteur de l'article et chercheur au National Renewable Energy Laboratory.

"La concurrence entre la dépolymérisation, la saturation du cycle et l'hydrogénolyse du C-O crée des difficultés pour produire des hydrocarbures à cycle saturé. Une excellente combinaison de ces propriétés peut constituer un catalyseur efficace pour la production d'hydrocarbures saturés."

Les chercheurs ont placé le catalyseur Ru-HY-60-MI dans un réacteur à flux continu et l'ont alimenté avec une solution de lignine de canne de maïs traitée aux alcalis. Dans des conditions de réaction optimisées (250°C et pression d'hydrogène de 1 150 psi), ils ont pu obtenir un rendement maximal en carbone de 17,9 % pour le carburéacteur à base de lignine (LJF).

Une analyse détaillée a révélé que le FJL était composé de 60,2 % de monocycloalcanes et de 21,6 % de polycycloalcanes - des classes d'hydrocarbures qui sont cruciales pour la compatibilité et la performance des carburants. "Les essais sur les propriétés des carburants de niveau α indiquent que la production de LJF à l'aide de la chimie SDHDO permet de produire des SAF présentant une compatibilité élevée, de bonnes propriétés d'étanchéité, de faibles émissions et une densité énergétique élevée pour les aéronefs", explique M. Yang.

Un aspect clé de la recherche a été la caractérisation détaillée du catalyseur Ru-HY-60-MI avant et après son utilisation. Cela a permis d'obtenir des informations précieuses sur la structure et le comportement du catalyseur au cours du processus SDHDO.

L'équipe a constaté que la structure et la cristallinité de la zéolithe HY étaient largement préservées après les étapes d'ingénierie du catalyseur, avec de petites nanoparticules de ruthénium (taille moyenne de 2,9 nm) dispersées sur l'ensemble du support. L'analyse de la réduction programmée en fonction de la température a révélé la présence de deux types différents d'espèces d'oxyde de ruthénium, ce qui suggère de bonnes interactions entre le métal et le support.

Cependant, le catalyseur usé a montré quelques changements significatifs. L'analyse par plasma à couplage inductif a détecté une augmentation substantielle de la teneur en potassium, probablement due à l'échange d'ions entre la solution de lignine et la zéolithe HY. On a également constaté un dépôt de carbone à la surface du catalyseur, ce qui a contribué à sa désactivation au fil du temps.

"La désactivation du catalyseur due aux contaminants et à la formation de coke est l'un des principaux défis que nous devons relever pour rendre cette approche commercialement viable", explique M. Kumar. "D'autres travaux sont nécessaires pour mettre au point des catalyseurs plus robustes et des réacteurs capables de résister aux conditions difficiles de la conversion de la lignine.

Les chercheurs pensent que leurs connaissances sur les relations entre la structure et l'activité des catalyseurs aideront à orienter le développement des catalyseurs de la prochaine génération pour la valorisation continue de la lignine. "Les méthodologies de caractérisation du catalyseur suggèrent que Ru-HY-60-MI a une petite taille de Ru avec une bonne dispersion sur le support HY-60", note Kumar. "Cependant, une désactivation du catalyseur a été observée en raison de l'échange d'ions K+ de la solution de lignine vers le HY-60 et du dépôt de carbone sur la surface du Ru-HY-60-MI au cours de l'expérience.

La démonstration réussie du processus SDHDO en flux continu constitue une avancée significative pour la commercialisation de carburéacteurs à base de lignine. Les études précédentes sur les carburéacteurs à base de lignine s'appuyaient sur des réacteurs discontinus, qui sont moins évolutifs et économiquement viables pour une production à grande échelle.

"La production à l'échelle commerciale contribuera à concrétiser les avantages environnementaux d'un carburant aviation durable", explique M. Yang. "Pour atteindre l'objectif de production commerciale de la LJF, un processus continu est nécessaire.

Les chercheurs soulignent que leur approche permet de relever plusieurs défis majeurs liés à la conversion continue de la lignine. "Nous avons surmonté les complexités de la conversion directe de la lignine et de la préservation des structures cycliques dans le produit en employant des techniques innovantes d'ingénierie de la réaction", explique Yang.

Pour l'avenir, l'équipe s'efforce d'optimiser davantage le processus et de surmonter les obstacles restants. "Nous continuerons à faire progresser le procédé vers son déploiement en relevant trois défis principaux : réduire le coût du catalyseur d'hydrotraitement, améliorer l'efficacité des catalyseurs solides en raison de la structure polymérique de la lignine, et empêcher la désactivation du catalyseur due aux contaminants et à la formation de coke", explique M. Yang.

En cas de succès, le carburéacteur à base de lignine pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour l'aviation durable. "Le carburéacteur à base de lignine peut offrir des propriétés complémentaires aux filières SAF existantes, en apportant la densité et le gonflement requis que les n-alcanes et les isoalcanes ne peuvent pas atteindre, tout en augmentant l'indice de cétane dérivé du carburant mélangé", explique M. Yang.

Les avantages potentiels pour l'environnement sont également considérables. "La production économique de carburéacteur à base de lignine peut améliorer la durabilité des carburants aéronautiques et réduire les émissions globales de gaz à effet de serre", explique M. Yang.

Une voie prometteuse pour un avenir plus vert dans l'aviation ?

La mise au point d'un carburéacteur à base de lignine représente une percée passionnante dans la quête d'un transport aérien plus durable. En exploitant la ressource abondante et sous-utilisée qu'est la lignine technique, les chercheurs ont démontré qu'il existait une voie viable pour produire des hydrocarbures de carburéacteur de haute qualité qui peuvent compléter les options SAF existantes.

Le processus continu de SDHDO, rendu possible par un catalyseur bifonctionnel innovant, permet de surmonter plusieurs défis majeurs liés à la conversion de la lignine et ouvre la voie à une production potentielle à l'échelle commerciale. Bien qu'il reste des défis à relever, la promesse du carburéacteur dérivé de la lignine est claire - un avenir où le transport aérien peut être alimenté par des carburants renouvelables et à faibles émissions, dérivés de déchets végétaux.

Alors que l'industrie aéronautique mondiale continue de se débattre avec son impact sur l'environnement, des solutions telles que le carburéacteur à base de lignine laissent entrevoir une voie plus durable. Avec davantage de recherche et d'optimisation, cette technologie pourrait jouer un rôle crucial en aidant le secteur à atteindre ses objectifs ambitieux en matière de décarbonisation.

Référence(s)

1. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2024.108129

Cliquez sur TAGS pour voir les articles connexes :

AVIATION | CHANGEMENT CLIMATIQUE | ENVIRONNEMENT | SOCIÉTÉ