Une nouvelle forme de glace pour la production et le stockage de l’énergie

La découverte d’une nouvelle forme de glace pourrait conduire à une meilleure compréhension de la géologie de notre planète, contribuant ainsi à trouver de nouvelles solutions pour la production, le transport et le stockage de l’énergie.

La glace XVI, la moins dense de toutes les formes de glace connues, possède une structure fortement symétrique, formant des cages. Elle est capable de piéger des molécules gazeuses pour former des composés appelés clathrates ou hydrates de gaz.

On sait que ces clathrates renferment d’énormes quantités de méthane et d’autres gaz, situées dans le permafrost et dans de vastes couches sédimentaires à des centaines de mètres au fond des océans. Leur décomposition éventuelle pourrait avoir des conséquences pour notre planète ; une meilleure compréhension de leurs propriétés est donc un objectif prioritaire.

Dans un article publié cette semaine dans la revue Nature, des chercheurs de l’université de Göttingen et de l’Institut Laue Langevin (ILL) présentent le premier clathrate vide, autrement dit un cadre de molécules d’eau dont on a retiré toutes les molécules hôtes. Ce clathrate vide, longtemps considéré comme purement hypothétique, joue un rôle clé pour la compréhension de la chimie physique des hydrates de gaz. Ce type de recherche pourrait contribuer à faciliter l’écoulement du gaz et du pétrole dans les pipelines dans les environnements à basses températures et permettre d’accéder à des réserves de gaz naturel inexploitées au fond des océans.

« Depuis des années, les clathrates vides font l’objet d’un intense questionnement scientifique. Leur existence même était relativement incertaine. Cette découverte met un terme aux spéculations et ajoute un nouveau joyau dans la fascinante malle aux trésors des phases de la glace. Prévoir les propriétés de la glace XVI constituera une référence pour tout modèle prétendant décrire la physique de l’eau. C’est en soi une avancée considérable et ces connaissances nous laissent aussi espérer des progrès dans les questions connexes liées à l’énergie. » Helmut Schober, Directeur scientifique de l’ILL

Pour créer l’échantillon de glace XVI, les chercheurs ont synthétisé un clathrate rempli de molécules de néon, qu’ils ont ensuite enlevées en les pompant délicatement à basses températures. L’utilisation de petits atomes comme ceux du gaz néon permettait de vider le clathrate sans compromettre sa fragile structure.

Pour y parvenir, le clathrate de néon a été pompé dans un vide à des températures avoisinant 140° K, pendant que les données de diffraction neutronique étaient collectées en utilisant le diffractomètre de pointe D20 de l’ILL. Les données obtenues ont permis de confirmer que le clathrate avait bien été entièrement vidé, et ont fourni une image complète de sa structure.

En tant que solide stable entièrement composé de molécules de H2O, le clathrate vide constitue aussi une nouvelle phase de la glace. Cette glace XVI est la 17e forme de glace découverte et la moins dense de toutes les formes cristallines d’eau connues. On prédit également qu’il s’agit d’une configuration stable à basse température de l’eau à des pressions négatives (l’équivalent de la tension – l’opposé des pressions compressives positives), et c’est à ce jour la seule forme de glace obtenue de façon expérimentale à présenter l’aspect d’un clathrate.

« Il faut savoir que l’on peut aussi former des clathrates avec du dioxyde de carbone, qui est stable dans les conditions des fonds océaniques. Cela signifie qu’il existe une possibilité d’extraire le méthane de son hydrate pour le transformer en énergie utile, en le remplaçant par le CO2. Autrement dit, on pourrait envoyer le CO2 au fond des océans pour prendre la place du méthane dans les clathrates. Un défi de taille, certes, et dont la faisabilité pose question, mais cela reste une possibilité fascinante qui vaut la peine d’être approfondie. Mes collègues Andrzej Falenty et Werner F. Kuhs de l’Université de Göttingen sont tous deux membres du projet SUGAR financé par le gouvernement allemand, qui a pour objectif d’explorer les possibilités scientifiques, techniques et économiques d’une telle entreprise. Des activités similaires se déroulent actuellement au Japon, en Chine, en Inde, et dans d’autres pays. » Thomas Hansen, l’un des auteurs de l’étude et responsable de l’instrument D20 à l’ILL

Le clathrate vide servant de cadre de référence pour nombre de simulations moléculaires des hydrates de gaz, les chercheurs ont jusqu’à présent appuyé leurs travaux sur des modèles théoriques approximatifs. La structure du clathrate vide obtenue à l’ILL va permettre de préciser ses propriétés fondamentales structurelles et thermodynamiques. La capacité de créer et d’observer des clathrates vides offre un potentiel d’amélioration considérable de notre compréhension de ces composés lorsqu’ils sont remplis de gaz.

Selon les Perspectives énergétiques mondiales 2007, la quantité totale de méthane enfermée dans les clathrates des fonds océaniques dépasse largement les réserves économiquement exploitables de carbone « conventionnel » sous forme de charbon, de pétrole ou de gaz naturels disponibles sur Terre. Ces réserves, difficiles à utiliser pour le moment, suscitent une activité de recherche constante et intense.

La recherche sur les clathrates a des bénéfices plus immédiats dans l’entretien des pipelines acheminant le gaz sous haute pression et basses températures. Ces conditions peuvent entraîner la production d’hydrates de gaz dans les conduits, susceptibles de former d’importants bouchons. Leur prévention coûte environ 405 M€ (500 M$) par an à l’industrie dans le monde. Vu l’impact économique international de ces pipelines, cela représente un coût important que la recherche sur les propriétés des clathrates pourrait contribuer à réduire.