Un nouveau réacteur produit du méthane renouvelable à partir de dioxyde de carbone

Kevin Sliman

Une équipe internationale, dirigée par l’Institut de l’énergie et de l’environnement de Penn State et son directeur Bruce Logan, a mis au point une nouvelle conception de réacteur qui convertit efficacement le dioxyde de carbone et l’électricité renouvelable en méthane — le principal composant du gaz naturel — tout en augmentant l’échelle du système d’environ un ordre de grandeur sans sacrifier les performances.

L’étude, publiée dans Water Research, a démontré que les systèmes d’électrosynthèse microbienne peuvent être étendus au-delà des dispositifs de laboratoire tout en maintenant un rendement énergétique et des taux de production de méthane élevés.

Transformer l’électricité renouvelable en carburant stockable

La recherche répond à un défi central des énergies renouvelables : comment stocker l’énergie sur de longues périodes.

« Traditionnellement, le stockage à grande échelle et à long terme signifie pomper de l’eau en amont et la laisser redescendre à travers des turbines », a déclaré Logan, auteur correspondant de l’étude. « Si l’on parle de stockage saisonnier, il faut vraiment mettre cette énergie sous une forme chimique. »

Dans ce système, l’électricité provenant de sources renouvelables comme le solaire ou l’éolien est utilisée pour diviser l’eau et produire de l’hydrogène. Des micro-organismes appelés méthanogènes utilisent ensuite cet hydrogène pour convertir le dioxyde de carbone en méthane, un carburant qui peut être stocké et transporté à l’aide des infrastructures existantes.

« L’idée générale est que nous pouvons utiliser de l’électricité renouvelable à faible coût pour produire du méthane qui peut être injecté dans les systèmes de stockage et de pipelines existants », a expliqué Logan, professeur universitaire Evan Pugh et professeur Kappe de génie environnemental au département de génie civil et environnemental de Penn State.

Passer à l’échelle supérieure sans perdre en efficacité

L’électrosynthèse microbienne a longtemps été limitée par un faible rendement et des difficultés de passage à l’échelle au-delà des petits dispositifs. Dans cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur la conception du réacteur pour surmonter ces contraintes.

Ils ont développé un réacteur « à écart nul » agrandi, où les électrodes ne sont séparées que par une membrane. Cette configuration minimise la résistance interne et améliore l’efficacité énergétique.

Le nouveau système a multiplié par environ dix la surface des électrodes et a prolongé le trajet d’écoulement jusqu’à près d’un pied, soit 11,81 pouces. Malgré sa taille plus grande, le réacteur a conservé des performances élevées.

« Même si nous avons rendu le système beaucoup plus grand, la résistance interne ne s’est pas dégradée », a affirmé Logan. « C’est parce que nous avons pu utiliser l’hydrogène provenant des électrodes de manière beaucoup plus efficace. »

Le réacteur intègre également plusieurs orifices d’écoulement pour distribuer les fluides et les gaz de manière plus homogène, contribuant ainsi à maintenir des conditions constantes dans tout le système.

Production de méthane à haute efficacité

Lors des tests en laboratoire à 30 degrés Celsius (86 degrés Fahrenheit), le système a produit jusqu’à 6,9 litres — soit près de deux gallons — de méthane par litre de volume de réacteur par jour. Le réacteur a atteint des efficacités coulombiques supérieures à 95 %, ce qui signifie que la majeure partie de l’apport électrique a été convertie en méthane plutôt qu’en sous-produits.

L’efficacité énergétique a atteint environ 45 %, ce qui la place parmi les plus élevées jamais rapportées pour les systèmes d’électrosynthèse microbienne dans des conditions standard, selon Logan.

« Nous prenons de l’électricité et la transformons en méthane avec une efficacité de l’ordre de 45 % à 47 % », a souligné Logan. « Partir du dioxyde de carbone et des électrons pour produire du méthane, c’est plutôt pas mal. »

L’hydrogène permet une production plus rapide de méthane

L’étude a également clarifié comment le méthane est produit dans le système.

Plutôt que de compter sur les microbes pour prélever directement des électrons sur une électrode — un processus qui donne un rendement relativement faible — le réacteur génère de l’hydrogène, que les micro-organismes consomment rapidement pour produire du méthane.

« Nous divisons l’eau pour fabriquer de l’hydrogène, et les méthanogènes sont là pour l’utiliser immédiatement », a expliqué Logan. « On peut considérer cela comme un électrolyseur d’eau, qui utilise l’électricité pour diviser l’eau en hydrogène et oxygène, combiné à un système biologique. »

Cette voie médiée par l’hydrogène permet des densités de courant plus élevées et une production de méthane plus rapide que les approches antérieures.

Vers un stockage pratique de l’énergie

Ces résultats suggèrent que les systèmes d’électrosynthèse microbienne peuvent être efficacement mis à l’échelle si la conception du réacteur favorise un transport efficace de l’hydrogène et une activité microbienne stable.

Logan a indiqué que les futurs systèmes pourraient être directement couplés à des sources d’énergie renouvelable.

« J’imagine des usines de production de méthane construites à côté de parcs solaires ou éoliens », a-t-il déclaré. « Au lieu d’injecter l’électricité sur le réseau, on l’utilise sur place pour produire du méthane et l’injecter dans les canalisations de gaz. »

De tels systèmes pourraient fournir un stockage d’énergie de longue durée tout en réutilisant le dioxyde de carbone et en tirant parti des infrastructures gazières existantes, a-t-il expliqué.

Les chercheurs ont noté que la viabilité économique dépendra en grande partie de l’accès à une électricité renouvelable à faible coût, ainsi que d’améliorations continues des matériaux catalytiques et de la conception du réacteur. Ils ont également souligné l’importance de minimiser les fuites de méthane, qui pourraient annuler les bénéfices climatiques si elles ne sont pas soigneusement contrôlées.

Néanmoins, le concept offre une voie potentielle pour convertir le dioxyde de carbone en un carburant stockable et transportable, a conclu Logan.

« Nous n’avons pas besoin d’extraire du méthane du sol », a-t-il affirmé. « Nous pouvons utiliser le dioxyde de carbone que nous produisons déjà et le transformer en quelque chose d’utile. »

Article : Microbial electrosynthesis of methane in an up-scaled zero-gap cell Author links open overlay panel – Journal : Water Research – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Penn State