Il faut tenir compte du passé - Take the past into account

Link: https://www.science-climat-energie.be/2021/05/14/energie-il-fauttenir-compte-dupasse/?utm_source=Energy+geopolitics&utm_campaign=5385f523caEMAIL_CAMPAIGN_2020_11_29_10_17_COPY_01&utm_medium=emai l&utm_term=0_1fc3386348-5385f523ca-423139345 Please see link above for source text, embedded hotlinks, and comments. Énergie : Energy: Take the past into account May 14, 2021

by Samuel Furfari Professor at the Free University of Brussels

Il faut tenir compte du passé 14 mai 2021 par Samuel Furfari Professeur à l’Université Libre de Bruxelles Une leçon du projet Xylowatt Selon Louis-Ferdinand Céline l’histoire ne repasse pas les plats. La technologie par contre, le fait. Les résultats de la plupart des thèses de doctorat en chimie ne débouchent pas nécessairement sur des applications, pour de multiples raisons qui ne sont pas l’objet de cette réflexion. Mais les enseignements qu’on en tire encouragent à poursuivre la recherche. Le chercheur scrupuleux étudie à fond la bibliographie de son sujet pour ne pas négliger des conclusions négatives d’autres chercheurs. Tout cela demande du temps et de l’investissement. C’est le prix à payer pour progresser en science. Mais les principes chimiques et physiques eux ne changent pas.

On le voit par exemple avec ce que nous vivons pour l’instant avec la stratégie hydrogène de la Commission européenne. On voudrait faire croire qu’il va être possible de produire économiquement et industriellement de l’hydrogène à partir de l’énergie éolienne ou solaire. Depuis plus d’un siècle, on sait que la production d’hydrogène par l’électrolyse de l’eau ne peut pas être aussi bon marché que celle par craquage des hydrocarbures. Les équations chimiques montrent de manière irréfragable que produire une mole (ou 1 kg) d’hydrogène à partir d’eau exige sept fois plus d’énergie qu’à partir du gaz naturel. Une quelconque stratégie hydrogène ne changera jamais cette relation qui découle de la science. Il y aura certes des améliorations — c’est la moindre des choses 1

étant donné tout l’argent qu’on va investir — mais celles-ci seront marginales et ne seront pas des ruptures qui débouchent sur une nouveauté. La technologie repasse bien les mêmes plats, sauf à changer de technologie.

Hélas, ces dernières années nous assistons à un contrôle de plus en plus invasif du politique dans le domaine de l’énergie. On voudrait que les choix — au demeurant parfois politiquement justifiés — deviennent des réalités technologiques. Prenons l’exemple de Xylowatt, une spin-off de l’Université catholique de Louvain, qui prétendait, comme son nom l’indique, produire de manière économique de l’électricité et de la chaleur par la gazéification de bois.

L’objectif est louable. Sauf qu’il y a plus d’un siècle qu’on a essayé de le faire et que cela a été abandonné. La gazéification du charbon a été largement employée à la fin du 19e et durant la première partie du 20e siècle pour produire des composés chimiques ; on appelait cela la carbochimie. La Société Carbochimique a été fondée en 1928 à Tertre -et rachetée par l’entreprise norvégienne Yara, Tertre est encore aujourd’hui un pôle chimique-, près de Mons. La gazéification consiste à chauffer du bois ou du charbon en le faisant réagir avec de la vapeur d’eau pour obtenir un mélange de gaz qui contient de l’hydrogène. Mais on obtient, aussi des goudrons et surtout un résidu solide qui représente en fait la masse principale des produits. Ces sous-produits sont très difficiles à manipuler et sont une source de pollutions. On peut réaliser la gazéification sans utiliser de la vapeur d’eau, mais avec de plus mauvais rendements : on appelait cela au début du 20e siècle le gaz à l’air, qui servait notamment à illuminer les lampions des villes. Tout cela a été abandonné avec l’avènement du pétrole et du gaz naturel.

2

Figure 1. Un gazogène à l’air Westinghouse (source : Paul Baud, Chimie industrielle, Masson 1922, page 164). A droite le réacteur NOTAR de Xylowatt Après les chocs pétroliers de 1973 et 1979, on a revisité toutes ces technologies, car on pensait que le charbon — abondant, bon marché et sans implication géopolitique — allait être l’énergie de l’avenir en produisant du pétrole et du gaz de synthèse. On a assisté alors pour la liquéfaction et la gazéification du charbon à la même frénésie que l’on vit présentement pour les énergies renouvelables. Ce fut l’objet de ma thèse de doctorat et de la première partie de ma carrière à la Direction générale énergie de la Commission européenne.

Tout fut abandonné à la fin des années 1980, lorsqu’on comprit que le Club de Rome nous avait trompés en proclamant qu’il n’y aurait bientôt plus de pétrole et que les interventions des pays arabo-musulmans sur les marchés pétroliers étaient une punition de l’Occident pour ne pas avoir pris ses distances avec Israël.

La volonté de produire de l’énergie renouvelable a relancé l’utilisation du bois comme source d’énergie et la gazéification des combustibles solides est revenue à l’ordre du jour. En anglais, goudron se dit tar. C’est pourquoi Xylowatt a donné à son réacteur le nom de NOTAR, ce qui n’a rien à voir avec les notaires. Le nom est bien choisi parce que les goudrons sont une tare dans un processus industriel, tant pour l’impact environnemental et sur la santé que pour leur manipulation. Bien que comme le montre la Figure 1 le principe du réacteur n’a rien d’innovant, les quelques améliorations objectives qui y ont été apportées, notamment pour séparer les différentes zones du 3

réacteur, ont permis à la spin-off de démarrer en 2001 avec un premier gazéifieur.

Plusieurs installations ont été vendues en Belgique et en France.

Le projet a été présenté comme un fleuron énergétique de la Wallonie ce qui lui a permis d’obtenir des crédits wallons (SRIW et SFPI) et européens (programme Life de la Direction générale environnement). Il a été reconnu comme l’une des 1 000 solutions efficaces sélectionnées par la Fondation Solar Impulse ce qui était censé prouver sa rentabilité économique. La suite va montrer que l’on doit se méfier des labels octroyés par des sympathisants (asinus asinum fricat). L’enthousiasme a attiré plusieurs industriels ; en 2014, Air Liquide et John Cockerill (alors CMI) entrent au capital de l’entreprise. Des investisseurs y ont également cru.

Au début des années 1990, la Commission européenne a voulu lancer un grand projet de démonstration de gazéification de biomasse, appelé projet ciblé, qui a attiré de nombreux industriels, mais il s’est terminé par un échec. Il y a une dizaine d’années, j’avais été approché par un membre de l’équipe Xylowatt. J’avais présenté et argumenté mon scepticisme, mais l’enthousiasme l’a finalement emporté. À la même époque, la plateforme PIC-W financée par l’AWEX s’était également intéressée à cette technologie innovante en vue d’accéder au marché chinois. On m’avait consulté, et j’avais donné un autre avis négatif.

En avril 2012, j’avais accompagné des députés européens à Vaasa (Finlande) pour visiter les laboratoires du grand groupe énergétique Wärtsilä. L’entreprise était fière de montrer son gazéificateur et les nombreux troncs d’arbres près à être traités. Je lui avais dit ma surprise qu’un groupe industriel aussi réputé se perde dans une telle technologie, mais arguant que la Finlande possède beaucoup de bois, elle pensait que la gazéification du bois allait devenir une industrie économique. Aujourd’hui, Wärtsilä a abandonné la gazéification du bois.

On ne peut se réjouir de la faillite d’une entreprise et encore moins de la déception de ceux qui y ont cru et travaillé avec sérieux et enthousiasme.

Mais il a fallu finir par admettre que cette technologie ne pouvait pas avoir un avenir industriel. Xylowatt a été forcée de faire aveu de faillite il y a quelques semaines.

Pourquoi ? Parce que les industriels concernés ont ignoré l’histoire de la gazéification et que des améliorations à la marge ne peuvent en changer les fondamentaux. Même les grandes installations de gazéification du charbon ont été abandonnées par tous. À plus forte raison, celle reposant sur la biomasse ne peut avoir d’avenir, car le bois et la biomasse en général contiennent des composés oxygénés (groupes carboxyles) qui produisent beaucoup plus de sous-produits et de goudron que ne le fait le charbon. De 4

plus, en génie chimique, la taille des installations est déterminante, car si elle est grande elle permet de réduire fortement le prix de revient (c’est pourquoi les industries chimiques sont souvent très grandes). Or le bois ayant un pouvoir calorifique faible ne justifie pas son transport sur des longues distances (celui qui se chauffe au bois à Bruxelles sait qu’il ne doit pas acheter du bois dans les Ardennes, même s’il est nettement moins cher sur place). En conséquence, les installations ne peuvent être que de petites tailles parce que la disponibilité du bois dans un rayon raisonnable est forcément limitée. Cela conduit à un prix de revient élevé.

Il y a une autre raison, plus générale. En matière d’énergie, il convient de penser de manière systémique. Les chercheurs de Xylowatt, comme ceux d’autres domaines spécialisés de l’énergie, font un travail méticuleux, précis et correct. Mais trop souvent, ils perdent de vue le système énergétique mondial. En l’occurrence, disposer d’une technologie et de bois à proximité pourrait être une solution dans un monde fermé. Mais le système énergétique est mondial et les prix doivent donc tenir compte de la réalité mondiale.

Le plus étrange est que de grands industriels aient pu croire que l’on pouvait négliger l’histoire technologique dans ce domaine. Ces mêmes industries courent aujourd’hui derrière l’utopie de l’hydrogène dont on sait pourtant depuis un siècle qu’elle n’a aucun sens économique. Ce n’est pas parce que le professeur de chimie a réalisé une électrolyse de l’eau et produit un peu d’hydrogène qu’il a fait exploser dans la classe que cela est compatible avec le système énergétique mondial.

Hélas les exemples s’accumulent, et les financements publics dans ces domaines utopiques vont s’amplifiant au lieu de tarir. On pourrait envisager que les pouvoirs publics remplacent le financement de la recherche au travers de ces projets, par une aide au fonctionnement de la recherche (exonération des charges sur les chercheurs, achat d’infrastructures, meilleur financement des universités). Ce serait à la fois plus économique et plus efficace.

Nous devons observer que depuis le début de ce siècle nous vivons dans la précipitation énergétique. Nous l’avons dit plus haut, depuis les années 1970 on tente de trouver des solutions à la question énergétique. Nous sommes restés dans un monde qui dépend à plus de 80 % des énergies fossiles. Avec Ernest Mund, nous avons montré que la transition énergétique demande du temps, l’unité de mesure étant grosso modo le siècle. Les exemples que nous avons montrés résultent de la précipitation sous la pression politique et des médias, et du manque d’attention aux raisons des échecs technologiques du passé. La science demande du temps et l’analyse du passé.

5

A forest in Belgium

Energy: Take the past into account May 14, 2021

by Samuel Furfari Professor at the Free University of Brussels A lesson from the Xylowatt project According to Louis-Ferdinand Céline, history does not iron out the dishes. Technology, on the other hand, does. The results of most doctoral theses in chemistry do not necessarily lead to applications, for many reasons which are not the subject of this reflection. But the lessons learned encourage further research. The scrupulous researcher thoroughly studies the bibliography of his subject so as not to overlook negative conclusions from other researchers. All of this takes time and investment. This is the price to pay for advancing in science. But the chemical and physical principles do not change.

We see it, for example, with what we are experiencing for the moment with the hydrogen strategy of the European Commission. We would like to suggest that it will be possible to economically and industrially produce hydrogen from wind or solar energy.

For more than a century, it has been known that the production of hydrogen from the electrolysis of water cannot be as cheap as that from the cracking of hydrocarbons. The chemical equations show irrefutably that producing one mole (or 1 kg) of hydrogen from water requires seven times more energy than from natural gas. Any hydrogen strategy 6

will never change this relationship that stems from science. There will certainly be improvements - this is the least of things given all the money we are going to invest - but these will be marginal and will not be ruptures that lead to something new. The technology does iron the same dishes, except to change the technology.

Sadly, in recent years we have witnessed an increasingly invasive control of energy policy. We would like the choices - moreover sometimes politically justified - to become technological realities. Take the example of Xylowatt, a spin-off from the Catholic University of Louvain, which claimed, as its name suggests, to economically produce electricity and heat by gasifying wood.

The goal is laudable. Except that it was over a century since we tried to do it and it was abandoned. Coal gasification was widely used in the late 19th and the first part of the 20th century to produce chemical compounds; this was called carbochemistry. The Société Carbochimique was founded in 1928 in Tertre - and bought by the Norwegian company Yara, Tertre is still a chemical center today - near Mons. Gasification involves heating wood or charcoal by reacting it with water vapor to obtain a gas mixture that contains hydrogen. But we also obtain tars and above all a solid residue which in fact represents the main mass of the products. These by-products are very difficult to handle and are a source of pollution. Gasification can be achieved without using steam, but with poorer yields: at the beginning of the 20th century this was called gas in the air, which was used, among other things, to illuminate city lanterns. All of this was abandoned with the advent of oil and natural gas.

Figure 1. On the left, a Westinghouse air gasifier (source: Paul Baud, Industrial Chemistry, Masson 1922, page 164). On the right, the NOTAR reactor of Xylowatt 7

After the oil shocks of 1973 and 1979, we revisited all these technologies, because it was believed that coal - abundant, cheap and without geopolitical implication - was going to be the energy of the future by producing oil and syngas. . We then witnessed the same frenzy for the liquefaction and gasification of coal that we are now experiencing for renewable energies. This was the subject of my doctoral thesis and the first part of my career at the Directorate-General for Energy of the European Commission. Everything was abandoned at the end of the 1980s, when we realized that the Club of Rome had deceived us by proclaiming that there would soon be no more oil and that the interventions of Arab-Muslim countries in the oil markets were a punishment from the West for not having distanced itself from Israel.

The drive to produce renewable energy has revived the use of wood as an energy source and the gasification of solid fuels is back on the agenda. In English, tar is tar. This is why Xylowatt gave its reactor the name NOTAR, which has nothing to do with notaries. The name is well chosen because tars are a defect in an industrial process, both for environmental impact and on health and for their handling. Although, as shown in Figure 1, the principle of the reactor is not innovative, the few objective improvements made to it, in particular to separate the different zones of the reactor, allowed the spinoff to start in 2001. with a first gasifier. Several installations were sold in Belgium and France.

The project was presented as an energy flagship of Wallonia, which enabled it to obtain Walloon (SRIW and SFPI) and European credits (Life program of the DirectorateGeneral for the Environment). It was recognized as one of the 1000 effective solutions selected by the Solar Impulse Foundation which was supposed to prove its economic profitability. What follows will show that we should be wary of labels granted by sympathizers (asinus asinum fricat). The enthusiasm attracted several manufacturers; in 2014, Air Liquide and John Cockerill (then CMI) acquired a stake in the company.

Investors also believed in it.

In the early 1990s, the European Commission wanted to launch a large biomass gasification demonstration project, called the targeted project, which attracted many industrialists, but it ended in failure. About ten years ago I was approached by a member of the Xylowatt team. I had presented and argued my skepticism, but the enthusiasm finally won out. At the same time, the AWEX-funded PIC-W platform was also interested in this innovative technology with a view to accessing the Chinese market. I had been consulted, and I had given another negative opinion. In April 2012, I accompanied MEPs to Vaasa (Finland) to visit the laboratories of the large energy group Wärtsilä. The company was proud to show off its gasifier and the many tree trunks ready for processing. I told her my surprise that such a reputable industrial group is getting lost in such technology, but arguing that Finland has a lot of wood, they thought that wood gasification would become a low-cost industry. Today, Wärtsilä has given up on gasification of wood.

We cannot rejoice in the bankruptcy of a company and even less the disappointment of those who believed in it and worked with seriousness and enthusiasm. But we had to 8

end up admitting that this technology could not have an industrial future. Xylowatt was forced into bankruptcy a few weeks ago.

Why ? Because the manufacturers concerned have ignored the history of gasification and marginal improvements cannot change its fundamentals. Even the large coal gasification facilities have been abandoned by all. All the more so, that based on biomass cannot have a future, because wood and biomass in general contain oxygenates (carboxyl groups) which produce many more by-products and tar than does coal. . In addition, in chemical engineering, the size of the installations is decisive, because if it is large it can greatly reduce the cost price (this is why the chemical industries are often very large). However, wood with a low calorific value does not justify its transport over long distances (those who heat themselves with wood in Brussels know that they should not buy wood in the Ardennes, even if it is much cheaper on the spot. ). As a result, facilities can only be small because the availability of timber within a reasonable radius is bound to be limited. This leads to a high-cost price.

There is another more general reason. When it comes to energy, you have to think systemically. Xylowatt researchers, like those in other energy specialist fields, do meticulous, precise and correct work. But too often, they lose sight of the global energy system. In this case, having technology and wood nearby could be a solution in a closed world. But the energy system is global, and prices must therefore take into account the global reality.

The strangest thing is that big industrialists believed that one could neglect the technological history in this field. These same industries are now running behind the hydrogen utopia, which has been known for a century to make no economic sense. Just because the chemistry teacher performed electrolysis of water and produced some hydrogen that he detonated in the classroom doesn't mean it's compatible with the world's energy system.

Unfortunately, the examples are piling up, and public funding in these utopian areas is increasing instead of drying up. It could be envisaged that the public authorities replace the funding of research through these projects, by aid for the operation of research (exemption from charges on researchers, purchase of infrastructure, better funding of universities). It would be both more economical and more efficient.

We must observe that since the beginning of this century we have been living in energy precipitation. As we said above, since the 1970s we have been trying to find solutions to the energy question. We have remained in a world which depends more than 80% on fossil fuels. With Ernest Mund, we have shown that the energy transition takes time, the unit of measurement being roughly the century. The examples we have shown are the result of haste under political and media pressure, and a lack of attention to the reasons for past technological failures. Science takes time and the analysis of the past.

9