Du méthanol à l'hydrogène : installation de démonstration pour l'alimentation électrique hors réseau à l'aide de reformeurs à vapeur
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Au centre technique de l'Institut Leibniz pour la catalyse (LIKAT) de Rostock, un reformeur à vapeur de méthanol alimente une pile à combustible en hydrogène de haute pureté, en fonctionnement continu et à des températures relativement douces. Il s'agit de la première installation de démonstration à basse température pour ce type de processus, à peine plus grande qu'une armoire et donc suffisamment compacte pour alimenter des zones régionales en énergie électrique hors réseau et neutre sur le plan climatique, par exemple. L'installation a été mise au point en collaboration avec l'université Friedrich-Alexander (FAU) d'Erlangen-Nuremberg, le développeur du projet ATI Küste et deux sociétés d'automatisation et de construction d'installations de Saxe-Anhalt et de Berlin.
L'installation a passé son test fonctionnel avec 800 heures de fonctionnement continu. Selon le coordinateur du projet, le chimiste de LIKAT Sebastian Wohlrab, le reformeur convertit par catalyse le méthanol et l'eau en hydrogène (H2), qui est ensuite purifié directement et alimente ainsi une pile à combustible connectée.
Le projet commun, appelé MEGA (MEthanol reformer with innovative gas purification), a été financé par le ministère fédéral de l'économie. L'installation de démonstration fait partie d'un concept durable pour l'approvisionnement en énergie électrique sans impact sur le climat, en particulier dans les zones rurales. "Elle est indépendante à la fois du réseau électrique, du vent et de la lumière du soleil", explique Henrik Junge, sous la direction duquel les catalyseurs nécessaires ont été développés à LIKAT.
Stockage chimique de l'hydrogène
L'hydrogène provenant de sources renouvelables présente un grand potentiel pour la transition énergétique, mais il s'avère toujours difficile à transporter et à stocker, comme l'expliquent Wohlrab et Junge. Une autre solution consiste à stocker chimiquement l'H₂ dans le méthanol, qui est beaucoup plus facile à transporter et à stocker que l'hydrogène gazeux.
"L'idée qui sous-tend notre concept est de fermer un cycle", explique M. Junge. D'une part, il s'agit de produire de l'hydrogène par électrolyse en utilisant de l'électricité d'origine éolienne et solaire et de le stocker avec du CO₂ dans du méthanol. D'autre part, il s'agit de récupérer l'hydrogène du méthanol pendant les périodes de vent calme et d'obscurité et de l'utiliser dans des piles à combustible pour produire de l'électricité. Le projet maintenant achevé s'est concentré sur la deuxième étape, la libération d'hydrogène de haute pureté par reformage à la vapeur à basse température, et démontre maintenant l'aspect pratique du processus.
Selon les deux chimistes, il sera bientôt possible de produire le méthanol directement à LIKAT à partir du dioxyde de carbone, ce qui permettra de réaliser le cycle complet de stockage et d'utilisation de l'énergie chimique sans impact sur le climat, basé sur l'hydrogène. La nouvelle usine de synthèse du méthanol est déjà en cours de construction dans le centre technique, à quelques mètres seulement du reformeur à vapeur.
Système bi-catalytique à base de ruthénium
Le reformeur à vapeur de méthanol présente plusieurs avantages par rapport aux procédés conventionnels. "Tout d'abord, grâce à un nouveau système bi-catalytique à base de ruthénium, nous avons réussi à maintenir la température du réacteur en dessous de 150 degrés Celsius", explique Henrik Junge. Jusqu'à présent, des températures beaucoup plus élevées étaient la norme.
La deuxième particularité est la grande pureté de l'hydrogène produit. Normalement, l'hydrogène produit par de tels procédés contient des quantités importantes de CO₂et de monoxyde de carbone (CO). Le monoxyde de carbone, en particulier, a un effet négatif sur le fonctionnement et la durée de vie des piles à combustible, comme l'explique M. Junge. Pour les piles à combustible à basse température, qui sont actuellement les plus performantes de leur catégorie, la teneur en CO ne doit pas dépasser dix ppm (parties par million). Sebastian Wohlrab : "Notre usine respecte en permanence les paramètres requis grâce à un adsorbeur intégré."
Contribution de différents domaines d'expertise
LIKAT a fait appel à un large éventail de compétences pour mener à bien ce projet commun. Les catalyseurs utilisés, des complexes de ruthénium, sont au cœur du reformeur et ont été principalement synthétisés et optimisés par un doctorant de l'institut, Hendrick Kempf. Les chimistes des procédés de la FAU Erlangen-Nürnberg ont amélioré le catalyseur pour le processus continu en l'appliquant à un support solide en phase liquide à l'aide de technologies spéciales. Selon M. Junge, les deux tubes du réacteur de l'usine contiennent "sept kilogrammes d'oxyde d'aluminium dopé avec 130 grammes de nos catalyseurs au ruthénium".
ATI Küste GmbH a combiné deux matériaux adsorbants dans un adsorbeur compact à pression variable qui élimine l'hydrogène du CO2 et du CO. Afin de ne pas dépasser la valeur limite de CO dans la suite du processus, les chimistes ont connecté un petit réacteur à décalage comme module de protection supplémentaire pour la pile à combustible.
L'entreprise berlinoise Sigmar Mothes Hochdrucktechnik (HDT) a construit les principaux composants de l'usine de démonstration. Le système complet de contrôle de l'installation a été développé par le fabricant de systèmes d'automatisation GESA à Teuchern, en Saxe-Anhalt. M. Wohlrab a été chargé de la mise en place de l'installation au centre technique de LIKAT. Stefan Peters et Alejandra Carbajal, employés de son département, l'installation a finalement été mise en service. Elle a subi des tests basés sur différents scénarios, y compris l'ajout de méthanol et d'eau et le régime de température. Son fonctionnement expérimental a été suivi en équipe.
Un espoir pour la transition énergétique
Dr Junge : Junge : "Sur la base de ces résultats, les entreprises sont désormais en mesure de développer un produit durable avec notre aide." À l'exception d'une maintenance occasionnelle, une telle usine fonctionnerait de manière autonome.
"Il y a une quinzaine d'années, il n'y avait qu'une poignée de groupes qui travaillaient sur les principes fondamentaux du stockage chimique de l'hydrogène pour l'approvisionnement énergétique futur. Aujourd'hui, de nombreux laboratoires du monde entier travaillent dans ce domaine. Des concepts tels que celui-ci représentent l'espoir mondial d'un approvisionnement énergétique sans impact sur le climat.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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