Entretien avec le Dr. Sophie Colson, chercheuse postdoctorale en combustion de l’ammoniac, lauréate du 1^er prix du jury de l’édition 2021 du concours d’images de recherche « Beauté Cachée de la Science » [ja]

Pouvez-vous nous décrire votre parcours scolaire et académique ?

Après une classe préparatoire aux grandes écoles (CPGE), j’ai intégré l’École centrale de Lyon. Lors d’un stage effectué chez Airbus, j’ai eu l’occasion d’observer de très près les avions. Je trouvais phénoménal de voir ces avions décoller, grâce à la seule puissance de leurs réacteurs. En y repensant, je crois que c’est ce qui m’a aiguillé vers la recherche sur la combustion.

À Centrale Lyon, j’ai eu la chance de rencontrer un professeur japonais de l’université du Tohoku travaillant à l’IFS. C’est comme cela que j’ai su que cette université était très impliquée dans la recherche sur les « novel fuels », ou carburants alternatifs. J’ai suivi un module sur la combustion, qui m’a plu. J’ai donc décidé de me saisir de cette opportunité de double diplôme avec l’Université du Tohoku, pour deux ans et demi. Pendant un semestre, j’ai suivi des cours de japonais intensifs dispensés à l’université, puis j’ai débuté les cours et mon travail de laboratoire dans le cadre de ma thèse de master sur la combustion de l’ammoniac.

Une fois diplômée de mon école à Lyon et de l’université du Tohoku, estimant qu’il me restait de nombreux aspects à approfondir dans mes recherches, je me suis lancée dans une thèse, dans ce même laboratoire à l’IFS où j’obtenais mon diplôme de doctorat trois années plus tard.

Enfin, j’ai pu négocier un contrat de post doctorante dans ce même laboratoire à l’IFS, poste que j’occupe actuellement avec le titre de special appointed assistant professor.

Comment s’est déroulée votre thèse en co-tutelle ?

Durant ma thèse, mes recherches portaient sur la combustion de mélanges d’ammoniac et de méthane et notamment sur la chimie de combustion de ces flammes. Je m’intéressais particulièrement à la formation d’espèces polluantes au cours de la combustion. Pour compléter cet aspect centré sur la chimie de combustion, travailler sur la stabilisation de ces flammes en parallèle était essentiel. Je me suis alors rapprochée de l’INSA Lyon (Institut National des Sciences Appliquées), et plus particulièrement du CETHIL (Centre d’Energétique et de Thermique de Lyon), puisque ce laboratoire avait publié plusieurs articles traitant ce domaine de manière fondamentale. Les chercheurs du CETHIL n’avaient jamais travaillé avec l’ammoniac, mais étaient ouverts à cette idée. J’ai pu donc conclure un accord avec eux. C’est comme cela que cette thèse a pu avoir lieu en co-tutelle, avec l’Université de Tohoku, via l’IFS d’une part, et l’INSA Lyon via le CETHIL, d’autre part.

La co-tutelle a été très enrichissante pour mener à bien mes recherches. Au Japon, pendant deux ans, mon travail s’est axé sur l’évaluation des modèles de chimie pour la combustion, et j’ai pu bénéficier de l’expertise très forte des professeurs, mais aussi des dispositifs expérimentaux dans les laboratoires. En France, pendant un an, j’ai pu me consacrer à la stabilisation des flammes, un domaine très complémentaire et nécessaire à la maîtrise de la combustion. Il m’arrive encore aujourd’hui de travailler et d’échanger avec le CETHIL.

Le Dr. Colson présentant ses recherches sur la combustion de l’ammoniac.

Concernant vos recherches sur l’ammoniac…

Lorsque j’ai commencé à travailler sur la combustion de l’ammoniac, la communauté scientifique était encore très sceptique, car ce sujet n’était étudié que par quelques chercheurs et laboratoires, notamment au Japon. Maintenant, je note une certaine prise de conscience, en recherche mais aussi dans la sphère publique. On retrouve d’ailleurs de plus en plus de laboratoires qui travaillent sur la combustion de l’ammoniac à l’échelle mondiale, dont des acteurs important en Arabie Saoudite (KAUST) et le Royaume-Uni (Pays de Galles – University of Cardiff), en Chine ou encore en Europe. Cependant, la recherche sur l’ammoniac est bien plus active au Japon qu’en France, qui est davantage portée sur l’hydrogène.

Dans quelles circonstances l’utilisation de l’ammoniac pourrait nous permettre un meilleur approvisionnement en énergie, tout en luttant contre le changement climatique ?

La production d’énergie dite renouvelable est en hausse à l’échelle mondiale, mais elle reste très inégale selon la situation géographique. Par exemple, les pays avec beaucoup d’ensoleillement sont avantagés pour le développement de la production d’énergie solaire (l’Arabie Saoudite reçoit environ deux fois plus d’énergie solaire que le Japon, à surface égale, grâce à sa position plus méridionale, et un temps plus ensoleillé). Pour l’énergie éolienne et hydrolienne, les pays avec une vaste surface ou un large front marin et un climat stable sont avantagés.

Enfin, quand bien même la situation géographique est satisfaisante, l’intermittence de ces énergies, rend nécessaire de stocker l’énergie efficacement.

Il existe déjà quelques solutions, avec leurs avantages et inconvénients. On retrouve entre autres les barrages (relief particulier), l’hydrogène (transport compliqué, stockage nécessitant des infrastructures adaptées et des normes de sécurité très avancées), les batteries (besoin en terres rares qui sont une ressource dont l’extraction est très polluante et le recyclage peu développé, densité énergétique faible en comparaison du stockage chimique).

Il faut donc continuer de développer de nouvelles solutions, si l’on souhaite pouvoir se servir uniquement de ces sources d’énergie renouvelable intermittentes.

Pourquoi l’ammoniac pourrait être une solution de stockage de l’énergie ?

Contrairement à l’hydrogène, l’ammoniac peut être transporté et stocké sous forme liquide très simplement, comme le propane par exemple. De plus, la densité volumétrique énergétique de l’ammoniac liquide est plus importante que celle de l’hydrogène. Cela signifie qu’à volume égal, l’ammoniac permet de stocker plus d’énergie que l’hydrogène, ou bien, que pour une même quantité d’énergie, le volume d’ammoniac nécessaire est plus petit, ce qui est avantageux pour son stockage.

Enfin, l’ammoniac étant produit à partir de dihydrogène, la conversion de l’hydrogène en ammoniac pour le transport et le stockage est intéressante, en plus des coûts relativement faibles liés aux infrastructures. En outre, l’ammoniac a été utilisé comme fertilisant pendant longtemps, ce qui fait que nombres d’infrastructures de stockage et de transport existent déjà et pourraient être simplement mises à niveau.

L’ammoniac ainsi produit peut être ensuite reconverti en hydrogène, employé dans des piles à combustible pour la production de l’électricité ou encore, et plus simplement, employé directement comme combustible pour la production d’électricité, pour l’industrie ou pour les transports.

Travaillez-vous en collaboration avec l’industrie pour mettre en pratique vos recherches ?

Je travaille actuellement sur des projets en collaboration industrie-académie, notamment dans le cadre de projets soutenus par l’agence nationale de recherche NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization), ainsi que par la JSPS (Japan Society of Promotion of Science). Je dirais qu’actuellement, ces projets occupent 50% de mon temps, mais cela dépend beaucoup de la période.

La lutte contre le changement climatique étant urgente, nombres d’entreprises travaillent sur l’ammoniac, avec l’objectif de commercialiser des solutions.

Par exemple, les projets de turbines à gaz fonctionnant avec l’ammoniac se développent fortement. On peut citer par exemple les progrès fait par IHI au Japon et l’aide du Japon à l’Inde dans leur transition énergétique du charbon vers l’ammoniac.

Il faut se souvenir que l’utilisation de l’ammoniac n’est pas récente. En effet, dans la première partie du 20ème siècle, lorsque l’essence devenait rare, on procédait à des modifications de moteurs, par exemple pour des bus, en Belgique, et on a fait fonctionner des avions et fusées avec de l’ammoniac aux États-Unis.

Auriez-vous des conseils pour nos jeunes lectrices et lecteurs ?

Même de nos jours, une image assez négative du milieu académique semble persister : un travail peu valorisé loin des besoins de la société et de l’industrie, des chercheurs seuls dans leurs laboratoires…

Cela est faux, le travail d’équipe est primordial, et il y a beaucoup d’échanges entre chercheurs au sein d’un laboratoire, entres différents laboratoires et avec nos partenaires industriels.

Mon principal conseil serait de se lancer, d’essayer, de ne pas avoir peur. J’ai eu la chance d’avoir l’opportunité de ce double diplôme, et je ne regrette pas un seul instant de l’avoir fait. Si vous avez cette chance, peu importe la destination, allez-y ! Que vous souhaitiez vous orienter vers le milieu académique ou non, c’est une expérience enrichissante qui ne pourra que vous être utile par la suite.

Photo d’une résultant de la combustion de mélanges d’ammoniac et de méthane.