Une solution écologique et économique en une seule étape pour convertir le méthane en carburants liquides
Le projet ZEOCAT-3D, financé par l’UE, a mis au point une nouvelle technologie permettant de convertir directement le méthane en composés aromatiques de grande valeur — benzène et naphtalène — et en hydrogène. Ce nouveau procédé permet de convertir plus efficacement le méthane provenant de sources inexploitées en carburants liquides expédiables et pourrait également aider l’industrie à réduire les émissions de gaz à effet de serre.
Un autre procédé de liquéfaction du gaz en une seule étape
La conversion du méthane — le principal composant du gaz naturel et du biogaz — en carburants et en matières premières pour l’industrie chimique s’appelle la liquéfaction du gaz. La plupart des technologies consistent à convertir le méthane et le dioxyde de carbone en un mélange de molécules d’hydrogène et de monoxyde de carbone, appelé gaz de synthèse. À partir du gaz de synthèse, il est possible d’obtenir divers produits tels que des oléfines, de l’essence, du diesel et des composés oxygénés en utilisant le célèbre processus Fischer-Tropsch. Mais le gaz de synthèse peut également être converti en carburants synthétiques et en autres produits importants par des procédés de transformation du méthanol en essence ou en oléfine. «Ces approches commerciales sont réalisables à grande échelle mais impliquent de nombreuses étapes pour la conversion du méthane. Jusqu’à présent, aucun procédé direct n’a été développé à l’échelle industrielle et commercialisé», fait remarquer Maria Tripiana, coordinatrice du projet. De plus, la conversion du gaz de synthèse est énergivore et onéreuse, et l’oxygène doit être éliminé du gaz de synthèse avant d’être converti en hydrocarbures. «Dans le cadre de ZEOCAT-3D, nous avons proposé une méthode de conversion du méthane plus viable et plus respectueuse de l’environnement, qui élimine les étapes intermédiaires. Nous avons utilisé une réaction chimique appelée déshydroaromatisation qui convertit directement le méthane en composés aromatiques et en hydrogène», explique Maria Tripiana. «En tant que substituts au pétrole, le benzène et le naphtalène sont des matières premières très intéressantes pour la production de carburants liquides et de produits chimiques de grande valeur. En outre, l’hydrogène est extrait en tant que coproduit, qui pourrait être utilisé pour la production d’ammoniac ou dans les piles à combustible.»
Les clés de la réussite: catalyseurs imprimés en 3D et conception de réacteurs avancés
Les catalyseurs existants utilisés pour accélérer la déshydroaromatisation du méthane ne sont pas très efficaces. Les nouveaux catalyseurs ZEOCAT-3D ont permis de relever deux grands défis qui entravent cette réaction chimique: la difficulté d’obtenir les composés de grande valeur souhaités, car des sous-produits indésirables sont souvent formés (faible sélectivité), et la désactivation rapide du catalyseur en raison du dépôt de carbone dans les pores du catalyseur, un processus connu sous le nom de «cokéfaction». «Grâce à la modélisation hiérarchique et à des simulations, nous avons montré que si l’on contrôle la taille des nanoparticules, leur morphologie et leur degré d’agglomération, la cokéfaction ne représente plus une menace», souligne Maria Tripiana. «Dans notre cas, nous avons utilisé le traitement numérique de la lumière pour synthétiser en 3D des zéolithes présentant une activité catalytique plus élevée. Nous avons été les premiers à démontrer l’existence de nouvelles zéolithes hiérarchiques intégrant quatre structures de pores distinctes. La combinaison de deux ou plusieurs topologies de pores zéolithiques à l’échelle mésoscopique offre la possibilité d’optimiser le transport des nanoparticules et la conversion sélective des intermédiaires réactionnels», ajoute Maria Tripiana. Le prototype de réacteur catalytique a intégré un système de purification produisant un méthane d’une pureté supérieure à 95 %, une membrane céramique sélective de l’hydrogène et un système de filtration éliminant les particules entraînées dans le flux de produit (carbonées ou cendres). Ce réacteur compact et modulaire traite désormais quatre litres normaux par minute de flux gazeux et produit 40 grammes par heure de produits de grande valeur. ZEOCAT-3D a permis de mieux comprendre la conception de catalyseurs et de réacteurs hautement efficaces pour la production de produits de grande valeur, réduisant potentiellement les émissions de gaz à effet de serre, ce qui pourrait être un élément constitutif d’une économie circulaire durable. Les résultats de ZEOCAT-3D guideront les projets futurs en amenant la technologie proposée à un niveau de maturité plus élevé.
Mots‑clés
ZEOCAT-3D, méthane, gaz de synthèse, zéolithe, carburants liquides, composés aromatiques, produits chimiques, cokéfaction, catalyseur imprimé en 3D