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Une solution intégrée combinant captage et méthanisation du CO2 qui produit un biogaz de qualité supérieure

Puisqu’il se forme dans le cadre du cycle naturel du carbone, le biogaz pourrait contribuer de manière significative à la réduction des émissions de gaz à effet de serre. NTPleasure a mis au point une solution hybride de séparation par membrane et de conversion catalytique pour un captage du carbone et une production de méthane plus efficaces.

Énergie

La décomposition des déchets organiques, comme ceux qu’on trouve dans les eaux usées et les décharges et qu’on désigne collectivement par le terme de biomasse, produit du biogaz. Ce processus, qui se déroule dans des environnements sans oxygène sous forme de digestion anaérobie, génère un biogaz constitué essentiellement d’un mélange de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane. Une fois brûlé, ou converti, le biogaz offre une source plus durable que les combustibles fossiles pour produire de l’énergie et des produits chimiques. Des efforts considérables ont été consacrés pour séparer le CO2 du biogaz dans le but de produire du biométhane enrichi, pouvant être utilisé comme carburant dans les transports et comme composant de base dans d’autres produits chimiques. Le projet NTPleasure, financé par l’UE et entrepris avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, a mis au point une nouvelle membrane ultra-mince en zéolithe qui sépare et capture efficacement le CO2. L’équipe du projet a également créé une série de catalyseurs hautement actifs et sélectifs, pour convertir le CO2 en méthane dans les conditions d’un plasma à basse température. Ces deux initiatives ont abouti à un système intégré de séparateur à membrane et de réacteur à plasma, doté d’excellentes capacités en termes de capture et d’utilisation du carbone. «Notre système a le potentiel de valoriser efficacement le biogaz pour obtenir des produits à valeur ajoutée comme le méthane et le méthanol, ainsi que de séparer et valoriser le CO2 dans les gaz de combustion, pour d’autres applications», déclare Xiaolei Fan, co-chercheur principal du projet, basé à l’Université de Manchester, au Royaume-Uni.

Une solution combinée pour la conversion du CO2

Les cadres organométalliques (en anglais: metal organic frameworks – MOF) forment une catégorie de matériaux poreux hybrides (organiques/métalliques) très polyvalents pour l’adsorption/séparation des gaz et la catalyse. Si les MOF peuvent être d’excellents catalyseurs pour la conversion du CO2, les conditions difficiles régnant dans les systèmes thermiques conventionnels sont susceptibles de les détruire. L’innovation intégrée de NTPleasure a permis d’entretenir la catalyse des MOF pour la méthanisation du CO2 pendant près de 70 heures dans des conditions normales de température et de pression (CNTP). La solution proposée par le projet combine deux technologies: la séparation par membrane et la conversion catalytique du CO2 activée par plasma. Des membranes zéolithiques ultra-minces ont permis de séparer sélectivement les molécules de la phase gazeuse de décomposition, afin de capturer le CO2. Ce CO2 séparé a ensuite été dirigé vers un réacteur catalytique fonctionnant dans les CNTP, pour y subir une méthanisation catalytique sur différents catalyseurs, comme le nickel sur support zéolithique et les MOF. Une décharge à haute tension y a généré ce que l’on appelle un «plasma non thermique», c’est-à-dire une substance gazeuse hautement conductrice. Cette décharge électrique excite les molécules de CO2 et d’hydrogène en phase gazeuse, ce qui entraîne la rupture de leurs liaisons et facilite donc leurs interactions avec la surface du catalyseur. Après avoir effectué des tests, l’équipe a constaté que son système hybride optimisé permettait d’obtenir une efficacité de capture du carbone d’environ 91,8 %, avec une efficacité d’utilisation du carbone d’environ 71,7 %. Par ailleurs, le processus intégré a également fonctionné pour utiliser le captage du carbone, affichant une performance stable tout au long d’un test de longévité de 40 heures. «Cette conception intégrée, qui combine le captage du CO2 et la méthanisation du CO2 à température ambiante, montre le potentiel d’une exploitation industrielle plus poussée d’un biogaz à haute valeur ajoutée», fait remarquer Chris Hardacre, co-chercheur principal du projet.

Au service de la prospérité économique et de l’environnement

Pour les plus de 17 000 usines de biogaz de l’Union européenne, la technologie de NTPleasure offre la possibilité d’améliorer la qualité du gaz généré, en renforçant sa rentabilité en tant que matière première et en réduisant la dépendance aux combustibles fossiles. Maintenant que le principe de la technologie a été validé dans le cadre de ce projet, l’équipe recherche un nouveau financement pour poursuivre la mise en valeur de son potentiel. «NTPleasure a élargi nos connaissances sur les matériaux à base de MOF et sur leurs interactions avec les plasmas. Cela ouvre un tout nouveau domaine de recherche qui pourrait permettre d’utiliser ces matériaux pour un large éventail d’applications, comme la réaction dite du gaz à l’eau, le reformage à sec du méthane avec du CO2 pour produire du gaz de synthèse et les réductions catalytiques des oxydes d’azote», explique Xiaolei Fan.

Mots‑clés

NTPleasure, biogaz, biométhane, dioxyde de carbone, carburant, zéolithe, méthanisation, catalyseur, plasma, nickel, cadres organométalliques

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