Fabriquer du carburant aviation à partir de la biomasse

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En 2021, près d’un quart des les émissions mondiales de dioxyde de carbone provenaient du secteur des transports, l'aviation y contribuant de manière significative. Alors que l'utilisation croissante des véhicules électriques contribue à assainir les transports terrestres, les batteries actuelles ne peuvent pas rivaliser avec les hydrocarbures liquides dérivés des combustibles fossiles en termes d'énergie délivrée par kilo de poids – une préoccupation majeure lorsqu'il s'agit de voler. Dans le même temps, sur la base de la croissance projetée de la demande de voyages, la consommation de carburéacteur devrait doubler d’ici 2050, année au cours de laquelle l’industrie aéronautique internationale s’est engagée à devenir neutre en carbone.

De nombreux groupes ont ciblé un carburant 100 % hydrocarbure durable pour les avions, mais sans grand succès. Une partie du défi réside dans le fait que les carburants d’aviation sont très strictement réglementés. "Il s'agit d'une sous-classe de carburants qui a des exigences très spécifiques en termes de chimie et de propriétés physiques du carburant, car vous ne pouvez pas risquer que quelque chose se passe mal dans un moteur d'avion", explique Yuriy Román-Leshkov, directeur général de Robert T. Professeur Haslam de génie chimique. « Si vous volez à 30 000 pieds d'altitude, il fait très froid dehors et vous ne voulez pas que le carburant s'épaississe ou gèle. C'est pourquoi la formulation est très spécifique.

Le carburant aviation est une combinaison de deux grandes classes de composés chimiques. Environ 75 à 90 pour cent de celui-ci est constitué de molécules « aliphatiques », constituées de longues chaînes d’atomes de carbone liés entre eux. «C'est similaire à ce que l'on trouve dans les carburants diesel, c'est donc un hydrocarbure classique qui existe», explique Román-Leshkov. Les 10 à 25 pour cent restants sont constitués de molécules « aromatiques », dont chacune comprend au moins un cycle composé de six atomes de carbone connectés.

Dans la plupart des carburants de transport, les hydrocarbures aromatiques sont considérés comme une source de pollution et sont donc éliminés autant que possible. Cependant, dans les carburants aviation, certaines molécules aromatiques doivent rester car elles déterminent les propriétés physiques et de combustion nécessaires du mélange global. Ils accomplissent également une tâche critique supplémentaire : ils garantissent l’étanchéité entre les différents composants du système de carburant de l’avion. « Les arômes sont absorbés par les joints en plastique et les font gonfler », explique Román-Leshkov. "Si, pour une raison quelconque, le carburant change, les joints aussi, et c'est très dangereux."

En conséquence, les aromatiques sont un composant nécessaire, mais ils constituent également une pierre d’achoppement dans la création de carburants d’aviation durables, ou SAF. Les entreprises savent comment fabriquer la fraction aliphatique à partir de parties non comestibles de plantes et d'autres énergies renouvelables, mais elles n'ont pas encore développé de méthode approuvée pour générer la fraction aromatique à partir de sources durables. Il en résulte un « mur de mélange », explique Román-Leshkov. "Puisque nous avons besoin de ce contenu aromatique - quelle que soit sa source - il y aura toujours une limite à la quantité d'hydrocarbures aliphatiques durables que nous pouvons utiliser sans modifier les propriétés du mélange." Il note un mur de mélange similaire avec l'essence. « Nous avons beaucoup d'éthanol, mais nous ne pouvons pas en ajouter plus de 10 % sans modifier les propriétés de l'essence. En fait, les moteurs actuels ne peuvent même pas gérer 15 % d’éthanol sans modification.

Pas de pénurie de matières premières renouvelables – ni de tentatives de les convertir

Au cours des cinq dernières années, comprendre et résoudre le problème du SAF a été l'objectif des recherches menées par Román-Leshkov et son équipe du MIT – Michael L. Stone PhD '21, Matthew S. Webber et d'autres – ainsi que leurs collaborateurs à Washington. State University, le National Renewable Energy Laboratory (NREL) et le Pacific Northwest National Laboratory. Leurs travaux se sont concentrés sur la lignine, un matériau résistant qui confère aux plantes un soutien structurel et une protection contre les microbes et les champignons. Environ 30 pour cent du carbone de la biomasse se trouve dans la lignine, mais lorsque l'éthanol est généré à partir de la biomasse, la lignine est laissée sous forme de déchet.