Le Graal des chercheurs en biocarburants est de mettre au point un processus autonome permettant de convertir en carburants les déchets provenant des eaux usées, des cultures vivrières, des algues et d’autres sources de carbone renouvelables, tout en préservant l’atmosphère et l’eau du carbone résiduel. De nombreux progrès ont été réalisés pour convertir ces déchets en carburant utile, mais il s’est avéré difficile de boucler le cycle en utilisant de l’énergie propre.
Aujourd’hui, une équipe de recherche du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l’énergie a mis au point un système qui permet d’y parvenir. Le système de récupération de carburant par oxydation électrocatalytique du PNNL transforme simultanément ce qui était considéré comme des « déchets » de carbone dilués et irrécupérables en produits chimiques précieux, tout en générant de l’hydrogène utile. Le fait d’être alimenté par des énergies renouvelables rend le processus neutre en carbone, voire potentiellement négatif.
« Les méthodes actuellement utilisées pour traiter le biobrut nécessitent de l’hydrogène à haute pression, qui est généralement généré à partir de gaz naturel« , a déclaré Juan A. Lopez-Ruiz, ingénieur chimiste au PNNL et responsable du projet. « Notre système peut générer cet hydrogène lui-même tout en traitant simultanément les eaux usées dans des conditions proches de l’atmosphère en utilisant l’électricité renouvelable excédentaire, ce qui le rend peu coûteux à exploiter et potentiellement neutre en carbone.«
Un système affamé
Lors d’expériences en laboratoire, l’équipe de recherche a testé le système en utilisant un échantillon d’eaux usées provenant d’un processus de conversion de la biomasse à l’échelle industrielle pendant près de 200 heures de fonctionnement continu sans que le processus ne perde en efficacité. La seule limite a été que l’équipe de recherche a épuisé son échantillon d’eaux usées.
« C’est un système affamé« , a déclaré Lopez-Ruiz. « Le taux de réaction du processus est proportionnel à la quantité de carbone résiduel que vous essayez de convertir. Il pourrait fonctionner indéfiniment s’il était alimenté en eaux usées. »
Selon M. Lopez-Ruiz, ce système en attente de brevet résout plusieurs problèmes qui ont entravé les efforts visant à faire de la biomasse une source d’énergie renouvelable économiquement viable.
« Nous savons comment transformer la biomasse en carburant« , a déclaré M. Lopez-Ruiz. « Mais nous avons encore du mal à rendre le processus efficace sur le plan énergétique, économique et durable sur le plan environnemental, surtout à petite échelle. Ce système fonctionne à l’électricité, qui peut provenir de sources renouvelables. Et il génère sa propre chaleur et son propre carburant pour le faire fonctionner. Il a le potentiel de compléter le cycle de récupération de l’énergie.«
« Alors que le réseau électrique commence à réorienter ses sources d’énergie vers l’intégration d’un plus grand nombre de sources renouvelables, a-t-il ajouté, il est de plus en plus logique de compter sur l’électricité pour répondre à nos besoins énergétiques. Nous avons mis au point un procédé qui utilise l’électricité pour alimenter la conversion des composés de carbone présents dans les eaux usées en produits utiles, tout en éliminant les impuretés comme les composés d’azote et de soufre.«
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Réduire l’utilisation des métaux des terres rares
L’un des principaux inconvénients de nombreuses technologies commerciales est leur dépendance à l’égard des métaux des terres rares, souvent appelés aussi métaux du groupe du platine. La chaîne d’approvisionnement mondiale de ces éléments repose en grande partie sur des processus d’extraction datés qui consomment beaucoup d’énergie et d’eau et génèrent des déchets toxiques. Les importations représentent 100 % de l’approvisionnement des États-Unis pour 14 des 35 matériaux critiques et plus de la moitié pour 17 autres, selon le ministère de l’énergie, qui a fait de l’approvisionnement national une priorité absolue.
Le système résout ce problème en incorporant une méthode unique de dépôt de nanoparticules des métaux responsables de la conversion chimique. Ces particules ont une grande surface, ce qui nécessite moins de métal pour faire son travail. « Nous avons constaté que l’utilisation de nanoparticules de métal par opposition aux films et feuilles minces de métal réduisait la teneur en métal et améliorait les performances électrochimiques« , a déclaré M. Lopez-Ruiz. Ces résultats ont été récemment publiés dans le Journal of Applied Catalysis B : Environmental. Le nouveau catalyseur nécessite 1 000 fois moins de métal précieux, en l’occurrence du ruthénium, que ce qui est généralement nécessaire pour des processus similaires. Plus précisément, le réacteur à flux à l’échelle du laboratoire utilise une électrode contenant environ 5 à 15 milligrammes de ruthénium, contre environ 10 grammes de platine pour un réacteur comparable.
À propos de ces composés de carbone inutiles
L’équipe de recherche a également montré que le procédé PNNL peut traiter de petits composés carbonés solubles dans l’eau – des sous-produits que l’on trouve dans les flux d’eaux usées des procédés HTL actuels – ainsi que de nombreux autres procédés industriels. Il y a environ une douzaine de ces petits composés de carbone diablement difficiles à traiter dans les flux d’eaux usées à de faibles concentrations. Jusqu’à présent, il n’existait aucune technologie rentable pour les traiter. Ces composés carbonés à chaîne courte, comme l’acide propanoïque et l’acide butanoïque, sont transformés en combustibles, comme l’éthane, le propane, l’hexane et l’hydrogène, au cours du nouveau procédé mis au point.
Une analyse préliminaire des coûts a montré que le coût de l’électricité nécessaire pour faire fonctionner le système peut être entièrement compensé en faisant fonctionner l’opération à basse tension, en utilisant le propane ou le butane pour produire de la chaleur et en vendant l’hydrogène excédentaire produit. Ces résultats ont été publiés dans le numéro de juillet 2020 du Journal of Applied Electrochemistry.
« Chez CogniTek, nous sommes enthousiasmés par l’opportunité d’étendre la technologie du PNNL, en combinaison avec nos principaux brevets et notre technologie de décarbonisation en attente de brevet« , a déclaré Michael Gurin, directeur général de CogniTek.
