Cependant, la modularité, la stabilité cyclique et les propriétés d'adsorption/désorption sélectives de ces matériaux ouvrent la voie à leur commercialisation en tant qu'alternatives écoénergétiques pour diverses technologies critiques et énergivores. Parmi celles-ci figurent la capture du carbone, la récupération des eaux de pluie pour la production d'eau potable et les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation, ainsi que divers procédés de séparation et de purification chimiques (par exemple, la séparation des gaz, la filtration de l'air, l'extraction directe du lithium, l'élimination des PFAS, etc.).
Historiquement, l'un des principaux obstacles à la commercialisation à grande échelle des MOF réside dans leur coût de fabrication élevé, qui se traduit par des prix de vente élevés. Toutefois, des partenariats récents entre des acteurs industriels établis, tels que BASF, et des start-ups comme AirJoule, Svante et WaHa, visant à accroître stratégiquement la production de MOF spécifiques afin de commercialiser les technologies basées sur les MOF, pourraient s'avérer essentiels pour réduire ces coûts. Conjugués aux performances uniques offertes par ces matériaux, les MOF ont le potentiel de se positionner comme une alternative plus compétitive aux technologies actuelles énergivores, ce qui pourrait également favoriser une plus large adoption par le marché.
Fabrication de MOF
La mise en œuvre industrielle des MOF dépend de la disponibilité, de la qualité et du coût des matériaux. La plupart des MOF développés en laboratoire sont synthétisés par voie solvothermale à l'échelle du milligramme. Pour produire des MOF à l'échelle industrielle, les méthodes de production doivent être adaptables à grande échelle.
De plus, la disponibilité des matières premières est un facteur déterminant de la viabilité commerciale d'un MOF. Parmi plus de 100 000 structures enregistrées, seules quelques-unes répondent aux critères d'une commercialisation potentielle. S'appuyant sur des entretiens avec des acteurs clés tels que BASF, Numat et Promethean Particles, le rapport IDTechEx évalue de manière critique les avantages et les défis des différentes approches adoptées par les fabricants pour industrialiser la production de MOF. Fondé sur des recherches primaires, le rapport aborde également les facteurs influençant les coûts de production et, en définitive, le prix de vente des MOF. Il offre également un aperçu des capacités de production des principaux fabricants.
La capture du carbone est un facteur clé de la croissance du marché des MOF
Le déploiement des technologies de captage du carbone est un outil important pour atteindre la neutralité carbone. Cependant, malgré la grande maturité des méthodes à base de solvants aminés (par exemple, le lavage aux amines) pour le captage du CO2, leur déploiement reste limité, principalement en raison des coûts d'installation élevés et de la consommation d'énergie liée à la régénération du solvant.
Les systèmes modulaires de capture du carbone avec des sorbants solides à base de MOF, tels que ceux développés par Svante et Nuada, gagnent en popularité, grâce à une réduction significative des besoins énergétiques pour la régénération du sorbant, une plus grande stabilité du sorbant, une sélectivité au CO2 et des dépenses d'investissement moindres par rapport aux systèmes à base de solvants.
MOF pour les séparations et purifications chimiques
La séparation et la purification chimiques sont des opérations fondamentales dans des industries manufacturières telles que la production chimique, l'exploitation minière et le raffinage du pétrole et du gaz. Les procédés thermochimiques conventionnels de séparation, basés sur la distillation, présentent des inconvénients majeurs : ils nécessitent un espace important, impliquent des investissements considérables et consomment beaucoup d'énergie. La sélectivité chimique ajustable et l'architecture poreuse contrôlable des MOF permettent la séparation sélective de composés chimiques lorsqu'ils sont utilisés comme sorbants solides ou membranes.
Par exemple, UniSieve, fabricant de membranes à base de MOF, a indiqué à IDTechEx avoir démontré la séparation de produits chimiques dont le point d'ébullition est d'environ 5 °C grâce à sa technologie de membrane non thermique. Cette séparation nécessiterait autrement une méthode thermique énergivore utilisant des colonnes de distillation d'environ 100 m de haut. Les progrès réalisés dans des applications telles que la récupération de fluides frigorigènes, l'extraction directe du lithium et divers procédés de séparation et de purification des gaz, notamment la valorisation du biogaz et la production de propylène de qualité polymère, font l'objet de recherches menées à IDTechEx.
MOF pour les technologies de collecte d'eau et de contrôle climatique
Les technologies de captage de l'eau atmosphérique (AWH) utilisant des adsorbants avancés (par exemple, les MOF) offrent la possibilité d'exploiter les ressources en eau dans les régions où les sources d'eau traditionnelles sont limitées. De plus, les effets de chauffage et de refroidissement induits par les propriétés d'adsorption et de désorption d'eau des MOF peuvent également être utilisés pour les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), qui peuvent fonctionner avec une consommation d'électricité jusqu'à 75 % inférieure à celle des technologies de réfrigération classiques à compression de vapeur. Ceci est particulièrement important, car la consommation mondiale d'électricité pour les systèmes CVC devrait tripler d'ici 2050 en raison de la demande croissante, notamment en Asie et au Moyen-Orient.
Le rapport d'IDTechEx présente les avancées en matière de matériaux et de technologies pour les systèmes air-eau (AWH) et CVC intégrant des MOF, en s'appuyant sur des références et des comparaisons des principaux indicateurs de performance avec d'autres adsorbants. Il met également en lumière les acteurs majeurs à la pointe du développement et de la commercialisation de ces technologies.
MOF pour le stockage de gaz, le stockage d'énergie et d'autres applications en phase préliminaire
Les MOF sont également étudiés pour le stockage de gaz, et le fabricant américain Numat a commercialisé sa gamme ION-X pour le stockage de gaz dopants destinés à l'industrie des semi-conducteurs. Plusieurs start-ups développent des prototypes de solutions de stockage de gaz naturel à base de MOF pour soutenir les réseaux d'approvisionnement en gaz, tandis que les progrès dans le domaine du stockage de l'hydrogène sont moins avancés. Le stockage d'énergie et les batteries sont également des domaines où les MOF suscitent un vif intérêt, avec des acteurs tels que Svolt, GM, LG Energy et d'autres qui mènent des efforts de R&D importants. Le rapport d'IDTechEx examine également d'autres applications émergentes, comme la catalyse, les capteurs, etc.
Perspectives d'IDTechEx sur MOF
La diversité des applications des MOF offre un large éventail de possibilités pour l'adoption des technologies basées sur les MOF, notamment dans les applications où elles permettent de réduire significativement la consommation d'énergie et les coûts d'exploitation. Parmi ces applications figurent la capture du carbone, les séparations chimiques et la récupération de l'eau. Cependant, ces technologies n'ont pas encore fait leurs preuves à l'échelle industrielle et les technologies novatrices peuvent être perçues comme risquées, ce qui peut freiner leur adoption rapide. De plus, les technologies existantes sont fortement implantées sur les principaux marchés cibles, et les MOF pourraient avoir des difficultés à y gagner des parts de marché.
Avec l'arrivée de plusieurs produits commerciaux au cours de la prochaine décennie, les technologies à base de MOF devront démontrer leur efficacité à grande échelle. Cette démonstration devra s'accompagner d'une croissance soutenue des capacités de production grâce à des méthodes adaptables.
Alors que les technologies à base de MOF approchent de leur commercialisation, le nouveau rapport d'IDTechEx, « Modèles organométalliques (MOF) 2025-2035 : Marchés, technologies et prévisions », propose une analyse indépendante des principales tendances et examine les applications des MOF pour d'autres technologies émergentes, telles que le stockage de l'hydrogène, le stockage de l'énergie (par exemple, les batteries), les semi-conducteurs, les capteurs, etc. S'appuyant sur les enseignements tirés d'une étude primaire, le rapport analyse les principaux acteurs du secteur et fournit des prévisions de marché en termes de demande annuelle et de valeur du marché, segmentées par application. IDTechEx prévoit que ce marché connaîtra une croissance annuelle composée (TCAC) de 40 % entre 2025 et 2035.
Auteur : Dr Shababa Selim, analyste technologique senior chez IDTechEx
