Les combustibles métalliques : un nouveau vecteur énergétique pour notre avenir ?

L’économie, c’est de l’énergie transformée. C’est ainsi que certains résument l’importance primordiale de l’énergie dans nos sociétés modernes. Produire et manipuler l’énergie est ainsi un enjeu essentiel, et à ce titre, il stimule l’émergence d’idées nouvelles. Comme celle-ci, curieuse au premier abord : utiliser des poudres métalliques.

À de rares exceptions près, l’énergie ne se trouve pas sous une forme utilisable là où il y en a besoin et quand il y en a besoin. C’est là où intervient la notion de vecteur énergétique, en tant qu’agent intermédiaire contenant de l’énergie sous une forme aisément utilisable, transportable et pouvant être stocké – avec, selon le vecteur, plus ou moins de facilité.

Les vecteurs énergétiques nous sont bien connus : combustibles solides (charbon, pellets, …), liquides (essence, gazole, fioul…) ou gazeux (gaz naturel, hydrogène, …), ou encore l’électricité et la chaleur. Et la transition énergétique, qui repose en partie sur des moyens de production intermittents (éolien, solaire, …) rend ces vecteurs plus importants encore, car il accroît la disjonction entre production et consommation.

Nous avons pu rapporter de nombreuses actualités au sujet de l’électrification, de l’hydrogène, ou encore des carburants de synthèse. Mais au sein de ce paysage, il existe d’autres alternatives, moins matures, mais dont l’intérêt n’est pas pour autant à négliger sur le long terme. Et c’est précisément le cas des combustibles métalliques.

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L’énergie stockée dans les métaux

Le concept des combustibles métalliques (metal fuels, en anglais) repose sur un constat simple : il y a beaucoup d’énergie stockée dans un métal. Pour s’en convaincre, il suffit de considérer la grande quantité d’énergie nécessaire pour transformer un minerai en un métal, que ce soit dans les hauts fourneaux pour produire des alliages de fer, ou dans les cellules d’électrolyse pour produire de l’aluminium par le procédé Hall-Héroult. En effet, dans la nature, les éléments métalliques sont souvent sous la forme d’un oxyde, c’est-à-dire liés à l’oxygène, et il faut beaucoup d’énergie pour casser ce lien.

Cet état de fait est un obstacle pour la production des métaux – et il justifie par ailleurs le recyclage de ces derniers. Mais il peut être aussi considéré comme une opportunité. Car il implique que les métaux peuvent être considérés comme un important stock d’énergie. Et donc comme un vecteur d’énergie.

Une boucle d’énergie basée sur le recyclage

Comme est-ce que cela fonctionne ? Un schéma de principe proposé par Engie nous permet de l’expliciter.

Tout d’abord, un oxyde métallique est transformé en métal (phénomène de réduction) à l’aide d’un procédé et d’une source d’énergie propres. Le métal est ensuite transporté et stocké à son lieu d’utilisation, par exemple sous la forme d’une poudre fine. Là, il est consommé par l’usage énergétique qui lui est dévolu, par exemple un véhicule – mais ce peut être également un autre système mécanique, ou encore un système de production de chaleur ou d’électricité.

Lorsque la poudre métallique est utilisée, de l’oxygène est consommé, et le métal est transformé à nouveau en oxyde – c’est une réaction de combustion, tout comme celle des hydrocarbures. L’oxyde est ensuite retourné à son lieu de réduction, où il sera à nouveau transformé en métal pour enclencher un nouveau cycle. Un cycle qui offre le potentiel de ne pas être carboné.

Aujourd’hui, les métaux envisagés en tant que combustible métallique sont principalement l’aluminium ou le fer. Des métaux moins communs sont également envisagés, comme le sodium, le magnésium ou le bore. Il va de soi que si de tels métaux sont utilisés comme vecteurs énergétiques décarbonés, leur production ne devra pas impliquer de dégagements de dioxyde de carbone, comme c’est le cas des procédés industriels actuels. Pour ce faire, ce sont des procédés moins communs qui doivent être utilisés, comme la réduction directe par l’hydrogène ou l’électrolyse par des électrodes inertes.

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Une filière encore à l’état embryonnaire

Force est de constater que les développements sur les combustibles métalliques en sont aujourd’hui encore à un stade très préliminaire. En 2016, Peugeot avait financé une thèse visant à stabiliser une flamme aluminium-air, avec en ligne de mire la conception d’un moteur automobile à combustion externe utilisant un combustible métallique.

Plus récemment, la startup Found Energy, spécialisé dans le recyclage énergétique de l’aluminium, a annoncé un partenariat avec une usine d’aluminium du sud-est des États-Unis. Le fondateur de la société, Peter Godart, est un ancien ingénieur de la NASA qui avait travaillé sur un robot capable de consommer en tant que source d’énergie les composants en aluminium de fusées devenus inutiles après leur utilisation.

En 2020, des chercheurs suisses menés par le docteur Michel Haller de l’Institute for Solar Technology étudient l’utilisation d’un cycle réversible employant l’aluminium en cogénération, pour produire à la fois de l’électricité et de la chaleur pour les besoins d’une maison d’habitation. Ils concluent à la faisabilité d’un stockage saisonnier de l’énergie solaire, basé sur la possibilité de stocker l’aluminium. Leurs calculs aboutissent à un coût de l’énergie de 0,20 €/kWh – dans l’ordre de grandeur, donc, des prix de l’électricité réseau. L’article est disponible en source ouverte.

De tels exemples, il y en a d’autres, et ils sont nombreux. Au total, ils montrent une technologie qui en est encore à un stade embryonnaire : celui de la recherche et des prototypes. Il n’est donc pas encore possible de déterminer à quelle échéance une telle solution pourrait être employée massivement. Mais ils ouvrent la voie à un vecteur énergétique nouveau et intéressant, notamment au regard des enjeux du stockage saisonnier des énergies, notamment renouvelables.