Spark Cleantech : ouvrir la voie de l'hydrogène décarboné
L’entreprise Spark Cleantech a comme ambition d'accélérer la décarbonation de l’industrie grâce à la production d’hydrogène directement sur site avec zéro émission de CO2 et très peu d’électricité. Voici pourquoi nous les soutenons.
Antonin Léonard
1. Dans le sillon de la transition énergétique : l’hydrogène bas-carbone, ses promesses et ses perspectives
La demande exponentielle en hydrogène au niveau mondial
Le marché de l’hydrogène connaît une croissance continue depuis deux décennies :
En effet, ses usages sont multiples : mobilité des transports lourds (trains, bus, navires, avions…), production de chaleur et d’énergie pour les bâtiments, usages industriels… L’hydrogène est partout, et les perspectives de croissance de ce marché font consensus.
L’hydrogène est donc un vecteur énergétique prometteur pour la transition écologique, mais sa production actuelle repose essentiellement sur des procédés émetteurs de CO2. On parvient donc à ce constat ambivalent : malgré sa prédominance dans les plans de décarbonation de l’énergie, la production d’hydrogène demeure aujourd’hui une industrie parmi les plus polluantes :
Le potentiel de l’hydrogène comme source d’énergie décarbonée
Le grand enjeu de la transition énergétique, c’est de trouver les moyens de produire de l’énergie décarbonée à grande échelle. Et l’hydrogène porte en lui une partie de cette promesse : à l’usage, comme carburant, l’hydrogène n’émet aucun CO2. Mais encore faut-il produire cet hydrogène-là de manière décarbonée.
Aujourd’hui, il existe deux voies pour produire de l’hydrogène :
La première voie, c’est l’oxydation de méthane par reformage, qui permet certes d’obtenir de l’hydrogène à un prix compétitif, mais qui émet énormément de CO2 : avec cette méthode, 10 tonnes de CO2 sont émises pour 1 tonne d’hydrogène produit.
Problème : aujourd’hui, un procès en greenwashing est fait à cette méthode de production. Et à juste titre : elle se réclame neutre en carbone lorsqu’elle s’accompagne d’une capture puis d’un stockage du CO2 émis. Mais la capture et le stockage carbone est une solution qui présente ses limites puisque nous ne disposons ni des gisements ni des capacités nécessaires pour stocker des centaines de millions de tonnes de CO2 gazeux sous terre de manière pérenne.
La deuxième voie, c’est l’électrolyse de l’eau, avec une source d’énergie renouvelable ou nucléaire. Ce mode de production est tout aussi décarboné que la source d’électricité choisie pour alimenter le processus de réaction.
Problème : cette méthode exige des quantités gigantesques d’électricité, car on estime que 7% de la production électrique française serait nécessaire à la décarbonation de cette seule source d’énergie. De plus, le coût demeure élevé : environ 6€ à 10€ par kilogramme d’hydrogène produit.
La nécessaire troisième voie et ses promesses
Parmi les alternatives plus vertueuses, l’hydrogène turquoise se distingue par sa faible consommation d’électricité et sa capacité à valoriser le méthane issu de sources renouvelables. Il s’agit de produire de l’hydrogène par plasmalyse du méthane, c’est-à-dire en le chauffant à haute température sans oxygène, ce qui entraîne sa décomposition en hydrogène et en noir de carbone solide. Ce dernier peut être utilisé comme matériau ou séquestré.
La pyrolyse du méthane peut être réalisée par différentes technologies, mais l’une des plus efficaces et des plus innovantes est celle du plasma. Le plasma est un gaz ionisé qui présente des propriétés électriques et thermiques exceptionnelles. Il permet de chauffer le méthane à très haute température en quelques millisecondes, ce qui favorise la réaction de pyrolyse tout en limitant la formation de sous-produits indésirables et polluants. C’est cette troisième voie qui est aujourd’hui développée chez Spark Cleantech.
2. La plasma nanopulsé : la technologie apportée par Spark pour produire massivement de l’hydrogène décarboné
La technologie de Spark Cleantech utilise le plasma froid nanopulsé pour convertir le méthane (CH4) en produits à valeur ajoutée.
Le procédé est appelé plasmalyse :
- Le plasma est un gaz ionisé, généré par des impulsions électriques. On utilise les décharges de plasma pour réaliser la plasmalyse du méthane : des électrons sont créés, accélérés et entrent en collision avec les molécules de méthane pour les dissocier.
- Les décharges de plasma sont ainsi placées sous déséquilibre thermodynamique, ce qui signifie que les électrons sont beaucoup plus énergétiques que le gaz lui-même : on peut donc dissocier les molécules sans chauffer le gaz de manière excessive, ce qui augmente l’efficacité énergétique du procédé.
- Les produits de la plasmalyse sont l’hydrogène (H2) et le noir de carbone. L’hydrogène est un vecteur énergétique propre, qui peut être utilisé pour la mobilité, l’industrie ou les réseaux électriques. Le noir de carbone est un matériau aux propriétés remarquables, qui peut être utilisé pour la fabrication de pneus, de batteries ou de matériaux composites.
Les avantages compétitifs de la solution Spark
Spark présente plusieurs avantages :
- Consommation d’électricité : Spark utilise un plasma froid nanosecondé, une technologie unique et brevetée, qui permet de contrôler la température du plasma pour obtenir une réaction rapide et efficace avec une faible consommation électrique (10 kWh/kg H2) et ce même à petite échelle.
- Abaissement du prix de l’hydrogène décarboné : Spark propose une production décentralisée et modulaire d'hydrogène directement sur le site de consommation, ce qui permet d'éviter les coûts et les contraintes de transport et de stockage de l'hydrogène. De plus, la valorisation du carbone solide issu de la réaction permet d’abaisser le prix de l’hydrogène décarboné au prix de l’hydrogène carboné.
« Notre procédé permettra de produire de l’hydrogène économique, même pour de petites capacités pour les futures stations-service hydrogène par exemple, mais surtout de répondre aux besoins d’usages industriels, et ce, directement sur les sites de consommation, donc en s’affranchissant des contraintes de transport et de stockage de l’hydrogène qui peuvent représenter jusqu’à 70 % des coûts de revient », résume Patrick Peters
- Modularité et décentralisation : la solution de Spark est modulaire et décentralisable, ce qui lui permet de répondre à de nombreux cas d’usage, y compris lorsque les besoins en hydrogène sur site sont de l’ordre de quelques centaines de kilos.
- Zéro CO2 émis pendant le processus : le seul carbone produit par plasmalyse est du carbone pur sous forme solide, qui est 3.7x moins massique et 220x moins volumineux que le CO2, donc facile à séquestrer et sans risque de fuites.
Derrière le projet : une équipe ambitieuse, pointue et très complémentaire
À l’origine du projet Spark, il y a d’abord Erwan, qui a développé la technologie du plasma froid pulsé pour les applications énergétiques dans le cadre de son doctorat à Paris-Saclay. Patrick a ensuite su apporter au projet ses connaissances opérationnelles aussi bien au sein de grands groupes (Suez) que de startup deeptech à succès (Adionics).
Une équipe complémentaire donc, mais également ambitieuse :
"Nous souhaitons atteindre le marché avec de premières unités dès 2025, après une phase pilote industrielle en 2024" - affirme Patrick Peters
Aujourd’hui, Spark, c’est une équipe de 8 doctorants et entrepreneurs qui partagent la même vision : employer les technologies développées dans leurs laboratoires de recherche pour avoir un impact significatif sur l'environnement.
Une partie de l’équipe Spark au salon VivaTech, 2023
3. Un procédé révolutionnaire qui vient juste d’entrer dans sa phase d’industrialisation
Concours et projets gagnés
Dès le début du projet, Spark Cleantech a été sélectionné par GRDF (2021) dans le cadre d’un appel à projet dédié à la décarbonation de l’industrie. L’année dernière, Spark a aussi été lauréat Grand Prix (500k€) du concours i-Lab 2022 organisé par Bpi France et le Ministère de l’Enseignement supérieur.
Les avancées techniques
La jeune entreprise entre tout juste dans sa phase d’industrialisation : Spark vient de finaliser un programme R&D de 3 ans qui a amené à la production de deux cellules élémentaires dimensionnées pour 1 Kg H2/jour. Spark conçoit actuellement son premier démonstrateur industriel pour déploiement fin 2023, et un projet pilote qui opérera en conditions sur-site dont le déploiement est prévu en 2024.
Next steps et utilisation de la levée
Pour toutes ces raisons, nous sommes très fiers de permettre à Spark Cleantech de procéder à des recrutements clés pour étoffer son équipe et d'accélérer son industrialisation.
Le projet Spark raconté par Erwan Pannier, Co-fondateur :
On en parle dans la presse :
“Production d’hydrogène : Spark annonce une levée de 4 millions d’euros”, Maddyness
“Une autre voie pour produire de l’hydrogène vert”, Les Échos