L’emploi de gaz naturel comme carburant automobile est une idée intéressante. Mais trouver les matières capables de le stocker efficacement est un défi. Une étude américano-suisse montre que les meilleurs matériaux ont déjà été découverts, mais ils ne peuvent remplir que 70% des objectifs énergétiques gouvernementaux.
Vu sa faible densité énergétique, le gaz naturel doit être compressé ou liquéfié, ce qui le rend difficile à intégrer aux véhicules. La solution la plus simple consiste à l’entreposer au sein de matériaux munis de pores de taille nano, ce qui explique l’intérêt que leur portent les gouvernements. Des chercheurs ayant simulé plus de 650’000 designs de matériaux nanoporeux annoncent que le meilleur d’entre eux – qui ne remplit que 70% des exigences de stockage du département américain de l’énergie – est déjà connu. Cette étude est publiée dans Energy & Environmental Science.
Découvrir rapidement des substances à même de stocker avantageusement du méthane dans les voitures est un objectif gouvernemental articulé par l’ARPA-e. Cette organisation du département de l’énergie des Etats-Unis cherche un matériau nanoporeux pour entreposer le méthane à la densité énergétique du gaz naturel, et ce à basse pression pour être compatible avec les réservoirs automobiles.
Or, une simulation informatique dirigée par l’EPFL et l’Université de Californie à Berkeley tend à penser que les meilleurs matériaux ont déjà été découverts. D’après les chercheurs, ils ne peuvent stocker que jusqu’à 220 unités de méthane, soit 70% du total visé par l’ARPA-e. Pour ce faire, les scientifiques ont généré par ordinateur des modèles de structure de 650’000 matériaux et les ont rapidement prototypés pour stocker du gaz grâce à des simulations moléculaires. Lesdits matériaux incluaient ceux qui faisaient déjà l’objet de recherches dans le domaine.
Les scientifiques se sont basés sur les éléments constitutifs de ces matériaux, puis ont laissé les ordinateurs en générer de nouveaux de façon systématique. Les performances de ces matières inédites ont été prédites via des techniques pointues de simulation moléculaire, développées pour tourner sur les processeurs employés dans les jeux d’ordinateur au graphisme lourd.
Les analyses ont montré qu’il pourrait être difficile, voire impossible, d’atteindre les objectifs de l’ARPA-e en matière de stockage de gaz par le biais de matériaux nanoporeux. En effet, l’étude suggère que ces buts sont trop élevés, et prédit que les meilleurs matériaux du genre peuvent uniquement atteindre une densité énergétique équivalente à 70% du gaz naturel compressé. «Notre travail soulève une question cruciale, soit de savoir s’il est possible de tirer de telles conclusions en se basant sur de simples simulations informatiques», explique Berend Smit, l’un des chercheurs principaux et le directeur du Centre de l’énergie de l’EPFL.
Cela signifierait que des groupes de recherche du monde entier ont déjà trouvé les matériaux nanoporeux les plus performants pour stocker le méthane. «Nous pensons que tout autre effort expérimental en ce sens serait une perte de temps, car l’objectif de l’ARPA-e ne peut être atteint, ajoute Berend Smit. Même s’il en existe un supérieur de quelques pourcents, il ne parviendra pas à atteindre le but fixé».
Les scientifiques souhaitent que leurs découvertes évitent de vains efforts de recherche. Comme l’explique Berend Smit: «Nous espérons toujours qu’une nouvelle méthode chimique soit découverte, mais atteindre 70% de l’objectif est déjà un grand progrès, et cela pourrait s’avérer très intéressant commercialement parlant.»
Cette étude est une collaboration entre l’EPFL, l’Université de Californie à Berkeley, l’Université Rice, l’Institut de technologie de Géorgie, l’Université du Nord-Ouest, le Laboratoire national Lawrence Berkeley et l’Institut supérieur coréen de science et technologie.
Source
Simon C, Kim J, Gomez-Gualdron D, Camp J, Chung YG, Martin RL, Mercado R, Deem MW, Gunter D, Haranczyk M, Sholl D, Snurr RQ Smit B. The Materials Genome in Action: Identifying the Performance Limits for Methane Storage. Energy Environ. Sci. 2015, Accepted Manuscript DOI: 10.1039/C4EE03515A
