Synthèse Fischer-Tropsch · Glossaire

La synthèse Fischer-Tropsch est un procédé chimique qui produit des hydrocarbures liquides à partir de gaz de synthèse. Le gaz de synthèse se compose essentiellement de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H₂). Sur un catalyseur métallique, le plus souvent à base de cobalt ou de fer, il se forme à température et pression élevées des chaînes d'hydrocarbures de longueurs différentes. L'eau se forme comme sous-produit. De façon simplifiée, la chaîne s'allonge maillon par maillon : chaque molécule de CO fournit un atome de carbone, l'hydrogène sature la chaîne et fixe l'oxygène sous forme d'eau. Le procédé a été mis au point dans les années 1920 par Franz Fischer et Hans Tropsch à l'Institut Kaiser-Wilhelm de recherche sur le charbon à Mülheim an der Ruhr. À l'origine, il servait à obtenir des carburants liquides à partir du charbon.

La réaction ne fournit pas encore un carburant fini répondant aux normes. Elle produit un large mélange de produits : du méthane et du gaz de pétrole liquéfié au naphta, aux fractions kérosène et diesel, jusqu'aux cires solides. La composition de ce mélange dépend du catalyseur, de la température, de la pression, du rapport des gaz et du type de réacteur. Un produit souhaité unique ne peut pas être obtenu de manière ciblée, car les longueurs de chaîne sont réparties de façon statistique. Le produit brut, souvent appelé syncrude, est donc séparé et valorisé. Les longues chaînes de cire sont par exemple fragmentées par hydrocraquage et isomérisées. Fischer-Tropsch ne désigne donc pas l'ensemble de la voie de production d'un carburant synthétique, mais une étape centrale de conversion au sein d'une chaîne de procédé plus longue.

Modes de fonctionnement et catalyseurs

Dans la littérature spécialisée, on distingue généralement le Fischer-Tropsch à basse température et à haute température (en anglais LTFT et HTFT). La variante basse température fonctionne grosso modo à environ 200 à 260 °C avec des catalyseurs au cobalt ou au fer. Elle fournit surtout des paraffines à longue chaîne et des cires, dont on peut tirer du diesel et du kérosène. La variante haute température fonctionne à environ 300 à 350 °C avec des catalyseurs au fer et produit plutôt des oléfines à chaîne courte et des fractions essence. Les pressions se situent typiquement dans la gamme de quelques mégapascals, soit quelques dizaines de bars. Les valeurs exactes diffèrent selon la source et l'installation et doivent être comprises comme des fourchettes. La réaction est fortement exothermique. L'évacuation de la chaleur est donc une tâche centrale dans la conception du réacteur. La chaleur résiduelle peut en partie être utilisée ailleurs dans le procédé.

Le cobalt est considéré comme plus actif et plus stable et est le plus souvent privilégié pour la voie basse température. Le fer est moins cher et catalyse en outre la réaction de conversion du gaz à l'eau. Il s'accommode donc aussi d'un gaz de synthèse contenant peu d'hydrogène par rapport au CO, comme c'est le cas par exemple lors de la gazéification du charbon. Pour la synthèse à base de cobalt, le rapport H₂/CO nécessaire est proche de 2.

Gaz de synthèse, hydrogène et source de carbone

Historiquement, et dans les grandes installations actuelles, le gaz de synthèse est obtenu principalement à partir du charbon (Coal-to-Liquid) ou du gaz naturel (Gas-to-Liquid). Ces carburants sont liquides, pauvres en soufre et facilement stockables, mais ne sont pas neutres pour le climat. Leur carbone provient de sources fossiles et est rejeté dans l'atmosphère sous forme de CO₂ lors de la combustion. La gazéification de la biomasse ou des déchets peut également fournir du gaz de synthèse.

Dans le cadre du Power-to-Liquid, l'hydrogène nécessaire est produit par électrolyse à partir d'eau et d'électricité. Le carbone provient de CO₂ capté, par exemple issu de procédés biogéniques, de sources ponctuelles industrielles ou de la capture directe dans l'air (Direct Air Capture). Comme la synthèse Fischer-Tropsch classique transforme du CO et non du CO₂, le CO₂ doit d'abord être converti, par exemple par la réaction inverse de conversion du gaz à l'eau. Le CO₂ y réagit avec l'hydrogène pour former du CO et de l'eau. Une alternative est la co-électrolyse de vapeur d'eau et de CO₂. C'est seulement cette combinaison qui fait de la synthèse Fischer-Tropsch un élément constitutif des e-fuels. L'impact climatique ne dépend donc pas du nom du procédé, mais de l'origine de l'électricité, de l'hydrogène et du carbone.

Distinction avec les e-fuels et le Power-to-Liquid

Synthèse Fischer-Tropsch, Power-to-Liquid et e-fuels sont souvent assimilés, mais décrivent des niveaux différents. Fischer-Tropsch est un procédé de synthèse concret. Le Power-to-Liquid est une voie de procédé qui convertit l'énergie électrique en vecteurs énergétiques liquides. E-fuels est un terme générique désignant les carburants d'origine électrique. Tous les e-fuels ne sont pas produits par Fischer-Tropsch : le méthanol peut être synthétisé directement à partir d'hydrogène et de CO₂, et le méthane synthétique est obtenu par méthanation. Du kérosène peut également être produit via une étape intermédiaire de méthanol. L'ammoniac n'est pas un hydrocarbure et n'est pas un produit Fischer-Tropsch. Inversement, tous les produits Fischer-Tropsch ne sont pas des e-fuels : si le gaz de synthèse provient du charbon ou du gaz naturel, le carburant est d'origine fossile.

Utilisation dans le transport aérien

Le principal produit cible de la voie électrique est actuellement le kérosène synthétique. Le kérosène Fischer-Tropsch (FT-SPK) est homologué depuis 2009 à l'annexe A1 de la norme sur les carburants d'aviation ASTM D7566. Il ne peut jusqu'à présent être mélangé qu'à hauteur de 50 pour cent au maximum avec du carburant aviation fossile. La raison de cette limite n'est pas l'origine du carburant, mais sa composition : le FT-SPK pur ne contient guère d'aromatiques, qui sont notamment importants pour les joints des systèmes de carburant actuels. Une variante avec aromatiques (FT-SPK/A) est homologuée depuis 2015 à l'annexe A4. Le mélange peut être utilisé via les réservoirs, conduites et avions existants. C'est un avantage pratique, mais pas un argument d'efficacité.

Signification pour le système électrique

La synthèse Fischer-Tropsch est pertinente pour le système électrique parce qu'elle peut convertir l'électricité en carburants liquides stockables et transportables, à haute densité énergétique. Cela est surtout intéressant là où l'électrification directe est techniquement difficile ou économiquement défavorable, par exemple dans l'aviation long-courrier, dans une partie du transport maritime et dans la chimie comme source de matières premières. La chaîne comporte toutefois des pertes considérables : électrolyse, capture du CO₂, production de gaz de synthèse, synthèse, valorisation et enfin combustion dans le moteur ou le réacteur. Une voiture roulant avec du carburant Fischer-Tropsch nécessite par kilomètre un multiple de l'électricité d'un véhicule électrique à batterie. Cet écart détermine l'ampleur de la production renouvelable, de la puissance d'électrolyse et de la fourniture de CO₂ qu'il faudrait développer. La synthèse Fischer-Tropsch n'est donc pas un substitut général à l'efficacité, à l'électrification ou au développement du réseau.

Charge, flexibilité et questions de localisation

Une installation Power-to-Liquid avec synthèse Fischer-Tropsch est un grand consommateur industriel d'électricité. Les électrolyseurs peuvent être exploités de façon relativement flexible. Le réacteur Fischer-Tropsch, en revanche, fonctionne de la manière la plus stable et la plus économique en régime continu aussi régulier que possible. Les variations rapides de charge influencent la conduite de la température, la répartition des produits et la durée de vie du catalyseur. Entre une production d'hydrogène fluctuante et une synthèse continue, il faut donc des stockages d'hydrogène, des tampons et une commande d'installation coordonnée. La mesure dans laquelle le réacteur lui-même peut être exploité de façon dynamique fait l'objet de recherches en cours.

Une installation proche d'une production renouvelable bon marché peut utiliser de l'électricité qui resterait sinon inutilisée en raison de congestions du réseau. Cela ne la rend toutefois pas automatiquement bénéfique pour le réseau. Les prix de l'électricité, les tarifs de réseau, les conditions de soutien, les règles d'origine et d'approvisionnement en électricité déterminent si elle stimule une production renouvelable supplémentaire ou aggrave des pénuries existantes. Dans l'UE, cela comprend le critère d'additionnalité et les exigences relatives à la corrélation temporelle et géographique entre l'approvisionnement en électricité et la production d'hydrogène. Pour les installations industrielles, un surplus d'électricité occasionnel ne suffit en général pas : moins elles fonctionnent, plus les coûts en capital par litre sont élevés. Le Power-to-Liquid n'est donc pas une simple soupape pour les pics de production d'électricité, mais un bloc de demande à part entière. L'eau et le CO₂ sont aussi des facteurs de localisation. Le CO₂ biogénique n'est disponible qu'en quantité limitée. Le CO₂ de procédé fossile déplace les émissions plus qu'il ne les évite. La capture directe dans l'air requiert de l'énergie et du capital supplémentaires.

Cadre juridique dans l'UE

Dans l'UE, c'est surtout le règlement (UE) 2023/2405 (ReFuelEU Aviation) qui crée un marché pour le kérosène d'origine électrique. Le règlement est directement applicable et oblige les fournisseurs de carburant dans les aéroports de l'UE. Selon l'annexe I, les parts minimales suivantes de carburants d'aviation durables (SAF) et de carburants d'aviation synthétiques qu'ils contiennent s'appliquent :

à partir de 2025 : 2 % de SAF ;
à partir de 2030 : 6 % de SAF. Dans ce total, 1,2 % en moyenne doivent être synthétiques en 2030 et 2031, avec au moins 0,7 % chaque année. Pour 2032 à 2034, la part synthétique moyenne est de 2 % ;
à partir de 2035 : 20 % de SAF, dont au moins 5 % synthétiques ; à partir de 2040 : 34 % et 10 % ; à partir de 2045 : 42 % et 15 % ;
à partir de 2050 : 70 % de SAF, dont au moins 35 % de carburants d'aviation synthétiques.

Les carburants d'aviation synthétiques au sens du règlement sont des carburants renouvelables d'origine non biogénique. Ils doivent satisfaire aux critères de durabilité et de gaz à effet de serre de la directive sur les énergies renouvelables. Le règlement constate que de tels carburants, produits à partir d'électricité renouvelable et de carbone capté directement dans l'air, peuvent permettre des réductions d'émissions allant jusqu'à 100 pour cent par rapport au kérosène fossile. Le quota ne prescrit aucun procédé de synthèse particulier. Fischer-Tropsch est ici en concurrence avec d'autres voies, par exemple via le méthanol. Certains États membres peuvent avoir des exigences nationales supplémentaires. La question de savoir si celles-ci subsistent à côté du règlement de l'UE doit être examinée au cas par cas.

Malentendus fréquents

Premièrement, les carburants Fischer-Tropsch ne sont pas neutres pour le climat du seul fait de leur ressemblance avec le diesel ou le kérosène. Du CO₂ continue d'être émis à l'échappement ou à la sortie du réacteur, et en vol s'ajoutent des effets non liés au CO₂ tels que les traînées de condensation. Le cycle ne devient quasi neutre pour le climat sur le plan du bilan que si le carbone provient de l'atmosphère ou d'un cycle biogénique à court terme et si toute la chaîne fonctionne avec de l'électricité à faibles émissions, si possible additionnelle. Deuxièmement, la compatibilité avec l'infrastructure existante n'élimine ni le besoin élevé en électricité ni la question de savoir quelles applications doivent recevoir ce carburant rare. Troisièmement, Fischer-Tropsch n'est pas une technique nouvelle : des installations Coal-to-Liquid et Gas-to-Liquid fonctionnent à l'échelle industrielle depuis des décennies. Ce qui est nouveau et encore peu éprouvé, c'est le couplage à grande échelle avec l'électrolyse et la capture du CO₂.

Mise en perspective économique

Les coûts dépendent fortement du prix de l'électricité, du taux d'utilisation des électrolyseurs, de la fourniture de CO₂, de la taille de l'installation et du financement. Les régions disposant de beaucoup d'électricité éolienne et solaire, d'eau, de terrains et de ports peuvent avoir des avantages. Il peut en résulter un commerce international, qui soulève aussi des questions de sécurité d'approvisionnement et de certifiabilité. Le carburant n'est aussi compatible avec le climat que la chaîne de production démontrable. Employé avec précision, Fischer-Tropsch désigne la synthèse d'hydrocarbures à partir de gaz de synthèse. Elle ne prend de l'importance pour l'économie de l'énergie qu'avec la question de savoir d'où provient ce gaz de synthèse et à quoi les produits sont destinés.

Sources

Verordnung (EU) 2023/2405 zur Gewährleistung gleicher Wettbewerbsbedingungen für einen nachhaltigen Luftverkehr (ReFuelEU Aviation) — Europäisches Parlament und Rat der EU / EUR-Lex; 2023-10-18. Erwägungsgründe zu synthetischen Flugkraftstoffen; Art. 4; Anhang I
ReFuelEU Aviation – nachhaltiger Luftverkehr (Zusammenfassung) — Amt für Veröffentlichungen der EU / EUR-Lex; unbekannt. Abschnitt zum Zweck der Verordnung
ReFuelEU Aviation — European Clean Hydrogen Observatory (Clean Hydrogen Partnership); unbekannt. Tabelle der Verpflichtungen
Fuel Qualifications — Commercial Aviation Alternative Fuels Initiative (CAAFI); unbekannt. Annex A1 FT-SPK; Annex A4 FT-SPK/A
Cobalt catalysts on carbon-based materials for Fischer-Tropsch synthesis: a review — Applied Catalysis A: General (Elsevier); 2020. Introduction

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Edited by eCMS on 11.11.2026 19:47