Des chercheurs de Stanford mettent au point une méthode améliorée pour produire de l'hydrogène durable
Cette méthode permet de décupler le rendement énergétique par rapport aux méthodes de chauffage externes classiques
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La production d’hydrogène est essentielle pour répondre à certains des besoins industriels et agricoles les plus importants au monde, mais elle s’accompagne également d’un coût environnemental élevé : la majeure partie de l’hydrogène produit aujourd’hui l’est par des procédés qui rejettent d’importantes quantités de CO₂. Cela s’explique à la fois par les besoins en chaleur élevés et par les émissions directes générées par le procédé. Des chercheurs de Stanford ont désormais mis au point une nouvelle méthode hautement efficace de production d’hydrogène qui réduit considérablement les émissions de CO₂ et génère un sous-produit inattendu et potentiellement précieux.
Cette méthode, décrite dans une nouvelle étude publiée dans la revue *Science*, utilise un procédé appelé pyrolyse du méthane, qui décompose le méthane en hydrogène gazeux et en carbone solide, plutôt qu’en CO₂ gazeux comme c’est le cas dans la production conventionnelle d’hydrogène.
« Aujourd’hui, nous utilisons du gaz naturel pour produire de l’hydrogène, mais cela génère également du CO₂ », explique Henry Moise, co-auteur principal et chercheur au département de génie chimique de la faculté d’ingénierie de Stanford. « La pyrolyse est un procédé similaire, mais au lieu de produire du CO₂, on obtient du carbone solide. »
Les défis de la mise à l’échelle
La pyrolyse du méthane fait l’objet d’études depuis des années, mais les chercheurs ont eu du mal à la faire sortir du laboratoire en raison de deux obstacles majeurs : l’extraction du carbone solide du réacteur et l’apport d’une chaleur suffisante dans le réacteur pour mener à bien le processus. Le nouvel article, co-rédigé par Moise et Sebastian Moll, étudiant allemand en visite, se concentre sur la résolution de ce dernier défi.
« Si l’on souhaite réaliser une pyrolyse à l’échelle nécessaire pour répondre aux besoins des marchés de l’hydrogène, il faut construire des réacteurs de très grande taille », explique l’auteur principal, Matteo Cargnello, maître de conférences en génie chimique à la faculté d’ingénierie de Stanford. « Pour chauffer ces réacteurs à des températures très élevées, comme 1 000 degrés Celsius, vos méthodes de chauffage doivent être très efficaces. »
Les réacteurs industriels actuels sont chauffés de l’extérieur, ce qui pose problème à grande échelle. « On peut imaginer que lorsqu’on chauffe un objet vraiment volumineux depuis l’extérieur, la chaleur a du mal à pénétrer jusqu’au cœur du réacteur », a expliqué M. Cargnello.
Pour remédier à ce problème, Moise et ses collègues ont mis au point un moyen de chauffer le réacteur de l’intérieur. Plutôt que de brûler du gaz naturel, ce qui produit du CO₂, l’équipe a découvert qu’en plaçant un brûleur à l’intérieur du réacteur pour faire brûler de manière sélective une partie de l’hydrogène, on obtenait principalement de l’eau, ce qui évite les émissions directes de carbone tout en faisant progresser efficacement la réaction.
Selon Moise, cela se traduit par un gain d’efficacité d’environ dix fois supérieur. En d’autres termes, à énergie égale, un réacteur utilisant cette nouvelle méthode de chauffage autothermique produit la même quantité de matière que dix autres réacteurs utilisant des méthodes conventionnelles de chauffage externe.
« Cela nous ramène à cette notion d’efficacité. On peut réduire les émissions de CO₂ en évitant de les générer dès le départ, mais on peut également les réduire en utilisant l’énergie de manière plus efficace », a déclaré Moise. « Il existe donc plusieurs façons de rendre un processus plus durable. »
Des avantages inattendus
Au-delà des gains d’efficacité, les chercheurs ont découvert un avantage inattendu de ce nouveau procédé : le carbone solide produit par la réaction s’est avéré être du graphite de haute qualité, un matériau utilisé dans les batteries, les électrodes et d’autres technologies.
« Ce n’est pas que nous ne nous attendions pas à obtenir du carbone de meilleure qualité, mais le degré de graphitisation et la qualité du carbone étaient tout simplement exceptionnels », a déclaré Moise, qualifiant cela de plus grande surprise du projet.
M. Cargnello a souligné que la qualité inattendue de ce sous-produit carboné pourrait ouvrir la voie à une production nationale d’un matériau que les États-Unis importent actuellement de l’étranger. Dans le même temps, il a toutefois précisé que le graphite produit n’était pas encore suffisamment pur pour des applications exigeantes telles que les matériaux destinés aux batteries. « C’est un grand pas en avant », a-t-il déclaré, « mais il reste encore d’autres étapes à franchir et davantage de recherches à mener. »
Une molécule fondamentale
Les chercheurs ont souligné l’importance de développer des procédés durables pour la production d’hydrogène, une molécule fondamentale dont la plupart des gens ignorent à quel point ils en dépendent. « Au moins quelques points de pourcentage du PIB dépendent de l’hydrogène, et nous continuerons à en produire, qu’il soit polluant ou non », a ajouté Moise.
Il a cité l’exemple des engrais : la production d’ammoniac repose sur l’hydrogène, et on estime que les engrais à base d’ammoniac contribuent à nourrir environ la moitié de la population mondiale. L’hydrogène permet également d’éliminer le soufre de l’essence lors du raffinage et contribue à la fabrication de produits importants tels que le méthanol. « Il est tellement omniprésent qu’il en devient presque invisible », a-t-il déclaré.
Les chercheurs espèrent que ce nouveau procédé ouvrira la voie à une production d’hydrogène à la fois économique et propre, et qu’il rendra durable un produit qui est à la base de nombreux produits essentiels utilisés au quotidien.
Cargnello a souligné que ce projet était le fruit d’un effort collaboratif, mettant en avant les contributions de l’équipe d’Eric McFarland à l’université de Californie à Santa Barbara, qui a fourni des données sur des réacteurs à plus grande échelle ; du coauteur Arun Majumdar, qui a encouragé l’équipe à se pencher sur ce problème ; et de Moll, qui a passé six mois au laboratoire aux côtés de Moise. De plus, les multiples sources de financement ont été essentielles à la réussite du projet, notamment la Fondation Kavli, le Carbon Hub de l’université Rice, la Natural Gas Initiative de Stanford et le Centre de recherche sur le CO₂ de l’université d’Aarhus au Danemark.
Le besoin de collaboration – et de financement – persiste, a ajouté M. Cargnello, car les prochaines étapes seront de grande envergure, notamment l’extension de la recherche et la vérification de son applicabilité à la production d’hydrogène à grande échelle.
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