Des chercheurs de l’Université australienne Deakin ont décrit un nouveau procédé mécano-chimique permettant de stocker des gaz en toute sécurité dans des poudres, en utilisant très peu d’énergie, dans un processus reproductible.
Des scientifiques australiens affirment avoir fait une percée « eurêka » dans la séparation et le stockage des gaz qui pourrait réduire radicalement la consommation d’énergie dans l’industrie pétrochimique, tout en rendant l’hydrogène beaucoup plus facile et plus sûr à stocker et à transporter dans une poudre.
Des chercheurs en nanotechnologie, basés à l’Institute for Frontier Materials de l’université Deakin, affirment avoir trouvé un moyen super efficace de piéger et de retenir mécaniquement les gaz dans les poudres, avec des implications industrielles potentiellement énormes et de grande envergure.
La mécanochimie est un terme relativement récent qui désigne les réactions chimiques déclenchées par des forces mécaniques, par opposition à la chaleur, à la lumière ou aux différences de potentiel électrique. Dans ce cas, la force mécanique est fournie par le broyage de billes – un processus de broyage à faible énergie dans lequel un cylindre contenant des billes d’acier est mis en rotation de telle sorte que les billes roulent sur le côté, puis redescendent, écrasant et roulant le matériau à l’intérieur.
L’équipe a démontré que le broyage de certaines quantités de certaines poudres avec des niveaux de pression précis de certains gaz peut déclencher une réaction mécano-chimique qui absorbe le gaz dans la poudre et l’y stocke, ce qui donne ce qui est essentiellement un support de stockage à l’état solide qui peut contenir les gaz en toute sécurité à température ambiante jusqu’à ce qu’ils soient nécessaires. Les gaz peuvent être libérés selon les besoins, en chauffant la poudre jusqu’à un certain point.
Séparation mécano-chimique des gaz par broyage de billes
Le processus est reproductible et le professeur Ian Chen, co-auteur de la nouvelle étude publiée dans la revue Materials Today, explique que la poudre de nitrure de bore utilisée dans les premières expériences ne perd qu' »environ deux pour cent » de sa capacité d’absorption à chaque cycle de stockage et de libération. « Le nitrure de bore est très stable », dit-il, « et le graphène aussi. Nous étudions un traitement de restauration capable de nettoyer les poudres et de rétablir leurs niveaux d’absorption, mais nous devons prouver que cela fonctionnera. »
Une refonte révolutionnaire de l’industrie massive de la séparation des gaz
Les résultats sont absolument remarquables du point de vue des chiffres. Ce procédé, par exemple, pourrait séparer les gaz hydrocarbures du pétrole brut en utilisant moins de 10% de l’énergie nécessaire aujourd’hui. « Actuellement, l’industrie pétrolière utilise un procédé cryogénique », explique Ian Chen. « Plusieurs gaz se retrouvent ensemble, alors pour les purifier et les séparer, ils refroidissent tout jusqu’à un état liquide à très basse température, puis ils chauffent le tout. Les différents gaz s’évaporent à des températures différentes, et c’est ainsi qu’ils les séparent. »
Bien entendu, la cryogénie est un processus très énergivore. L’équipe de Deakin a découvert que son procédé de broyage à billes pouvait être réglé pour séparer les gaz tout aussi efficacement en utilisant beaucoup moins d’énergie. Ils ont découvert que les différents gaz sont absorbés à des intensités de broyage, des pressions de gaz et des durées différentes. Une fois que le premier gaz est absorbé par la poudre, il peut être retiré et le processus peut être relancé avec un ensemble différent de paramètres pour piéger et stocker le gaz suivant. De même, certains gaz sont libérés des poudres à des températures plus élevées que d’autres, ce qui offre un deuxième moyen de séparer les gaz s’ils sont stockés ensemble.
Dans ses expériences, l’équipe a réussi à séparer une combinaison d’alcynes, d’oléfines et de paraffines à l’aide de poudre de nitrure de bore. Le processus prend un certain temps – certains gaz étaient totalement absorbés après deux heures, d’autres ne l’étaient encore que partiellement après 20 heures. Mais selon Ian Chen, ce n’est qu’une question de mise au point : « Nous continuons à travailler sur différents gaz, en utilisant différents matériaux. Nous espérons qu’un autre article sera bientôt publié, et nous espérons également travailler avec l’industrie sur des applications pratiques réelles. »
Les chercheurs en nanotechnologie de Deakin, le Dr Srikanth Mateti (à gauche) et le professeur Ian Chen, affirment que leur percée en matière de séparation et de stockage mécanochimique des gaz pourrait avoir d’énormes répercussions sur de nombreux secteurs industriels.
Même si cela prend du temps, les économies de coûts – et les économies d’énergie, et les économies d’émissions – constituent un argument extraordinaire en faveur d’une adoption généralisée. « L’énergie consommée par un processus de broyage de 20 heures est de 0,31 € « , peut-on lire dans le document. « On estime que le procédé d’adsorption gazeuse par broyage de billes consomme 76,8 KJ/s pour séparer 1 000 litres de mélange oléfine/paraffine, ce qui est inférieur de deux ordres à celui du procédé de distillation cryogénique. »
Même en tenant compte de l’énergie nécessaire pour chauffer la poudre à plusieurs centaines de degrés et libérer le gaz, le processus est extrêmement efficace. Et la distillation cryogénique est un processus vital et extrêmement énergivore – selon une étude de 2016 publiée dans Nature, la séparation cryo-distillative des seules oléfines propène et éthène, nécessaires à la fabrication des plastiques, consomme globalement autant d’énergie que tout Singapour, soit 0,3 % de la consommation mondiale d’énergie. La distillation dans son ensemble est responsable de 10 à 15 % de la consommation mondiale d’énergie. Cette technologie a donc l’occasion d’apporter une énorme contribution au niveau mondial.
Le stockage de l’hydrogène à l’état solide : Un autre domaine au potentiel énorme
Le cas d’utilisation de la séparation des gaz constituerait une avancée considérable en soi, mais en stockant le gaz en toute sécurité dans des poudres, l’équipe pense avoir également découvert un moyen convaincant de stocker et de transporter l’hydrogène, qui pourrait jouer un rôle clé dans la transition énergétique propre à venir.
Actuellement, l’hydrogène pur est stocké soit sous forme de gaz, soit sous forme de liquide cryogénique. La forme gazeuse doit être stockée à une pression environ 700 fois supérieure à la pression atmosphérique normale au niveau de la mer, soit plus de 10 100 psi, ce qui signifie qu’il faut un apport d’énergie considérable pour le comprimer et qu’il faut des réservoirs de stockage capables de supporter de grandes charges de pression en toute sécurité. La forme liquide doit être refroidie à un niveau inférieur au point d’ébullition de l’hydrogène à la pression atmosphérique, soit 20,28 K (-252,87 °C), et elle doit être maintenue froide et parfois sous pression pendant toute la durée du stockage. Cela nécessite encore plus d’énergie.
Le stockage de l’hydrogène comprimé dans des bouteilles consomme beaucoup d’énergie et nécessite des équipements lourds.
« Depuis au moins un demi-siècle, la communauté scientifique tente de trouver un matériau approprié de type éponge capable de stocker de grandes quantités d’hydrogène », explique Chen. « La technique dont nous avons récemment fait état concerne la paraffine, mais nous pouvons stocker beaucoup plus d’hydrogène. Elle ne nécessite pas beaucoup d’énergie et elle est sûre ; dans des conditions normales, elle est assez stable et l’hydrogène ne sera pas libéré à moins d’être chauffé à quelques centaines de degrés. Il y a donc un réel espoir que cela devienne une technologie pratique de stockage à l’état solide, non seulement pour l’hydrogène, mais aussi pour l’ammoniac et d’autres gaz combustibles ».
Si chauffer la poudre à plusieurs centaines de degrés semble être un processus énergivore, Chen affirme que l’aller-retour entre le gaz et la poudre, puis le retour au gaz, consomme bien moins d’énergie que le simple gaz comprimé.
« Il est difficile de donner des chiffres exacts, explique-t-il, car nous ne menons actuellement que des expériences à petite échelle par rapport à l’étude sur la séparation des gaz. Mais nous pensons qu’elle utilise peut-être un tiers, voire un quart de l’énergie nécessaire à la compression de l’hydrogène. Et cela peut être amélioré à plus grande échelle ou en optimisant les conditions et les matériaux de broyage. Nous travaillons à la réduction de l’énergie nécessaire pour libérer le gaz – et plus vous stockez de gaz, moins il faut d’énergie pour le libérer. Mais il y a encore beaucoup de travail à faire ».
Une fois l’hydrogène stocké en toute sécurité dans la poudre, il peut être déplacé et entreposé très facilement et en toute sécurité. Cela pourrait être un moyen très intéressant de transporter des quantités importantes d’hydrogène pour l’exportation ou la distribution, car il est à la fois moins cher et plus facile à manipuler que le gaz ou le liquide, et l’équipement nécessaire pour libérer le gaz afin de l’utiliser à l’autre bout sera assez simple.
Selon Ian Chen, la poudre pourrait également avoir un potentiel en tant que carburant direct pour les voitures et les camions. « Elle peut également présenter des avantages dans les applications mobiles », dit-il, « ce qui est actuellement la question la plus difficile dans la communauté de l’énergie hydrogène. Mais si vous voulez le faire dans un véhicule, nous devons réfléchir à un réservoir ou un conteneur adapté, à la manière de le libérer à un taux et une vitesse contrôlés, à ce à quoi ressemblera le processus de ravitaillement en carburant… cela nécessitera des travaux plus approfondis. »
Comment se comporte-t-elle en termes de densité volumique et de poids ? Chen nous dit que la poudre peut stocker un pourcentage pondéral d’hydrogène d’environ 6,5 %. « Chaque gramme de matériau stockera environ 0,065 gramme d’hydrogène », précise-t-il. « C’est déjà supérieur à l’objectif de 5 % fixé par le ministère américain de l’Énergie. Et en termes de volume, pour chaque gramme de poudre, nous souhaitons y stocker environ 50 litres (13,2 gal) d’hydrogène. »
En effet, si l’équipe parvient à prouver ces chiffres, cela représenterait un doublement instantané des meilleures fractions de masse de stockage d’hydrogène à l’état solide actuelles, qui, selon Air Liquide, ne peuvent atteindre que 2 à 3 %.
Le chercheur principal, le Dr Srikanth Mateti (à gauche), et le professeur Ian Chen avec les billes d’acier utilisées dans le processus de broyage.
Il est toutefois complexe de comparer ces densités de poids et de volume à celles de l’hydrogène gazeux ou liquide, car de nombreux facteurs entrent en ligne de compte. Cinquante litres (11 gal) par gramme semblent être une quantité massive, par exemple, mais à la pression atmosphérique, l’hydrogène est 467 fois moins dense que lorsqu’il est comprimé à 700 bars dans un réservoir. Ainsi, chaque gramme de poudre stocke en réalité la même quantité d’hydrogène que 0,11 litre (3,62 fl. oz) de gaz H2 comprimé.
De même, 6,5 % semble être une très petite fraction de poids – pour chaque kilogramme d’hydrogène que vous transportez, vous devez également transporter 14,4 kilogrammes de nitrure de bore. Cela devrait être un problème pour toute utilisation sensible au poids, non ? Pas tout à fait. Comme l’a dit Val Miftakhov, de ZeroAvia, les réservoirs d’hydrogène comprimé actuels sont beaucoup plus lourds que le carburant qu’ils transportent, ce qui signifie que vous transportez toujours au moins 9 kg de réservoir pour 1 kg d’hydrogène. Ainsi, même si la poudre doit avoir son propre réservoir et son propre système de dégagement de chaleur en plus de son poids, elle n’est peut-être pas si éloignée de la réalité.
Ce n’est certainement pas une solution pour l’aviation, surtout si l’on considère les réservoirs cryogéniques ultralégers GTL que nous avons examinés en avril, qui sont censés augmenter la fraction massique de l’hydrogène de plus de 50 %, même en tenant compte de tous les équipements auxiliaires, ce qui permettrait aux avions de ligne alimentés à l’hydrogène de voler quatre fois plus loin que les avions à réaction actuels, pour un coût de carburant deux fois moindre.
Mais l’aviation est une classe de transport particulièrement sensible au poids. L’hydrogène séquestré en poudre pourrait s’avérer si bon marché, si pratique et si facile à manipuler qu’il deviendrait une évidence pour le transport routier longue distance, par exemple. « Nous souhaitons vraiment collaborer avec certaines entreprises de transport routier », explique Ian Chen, « car notre stockage est bien supérieur aux meilleurs résultats actuels. Nous voulons travailler avec eux pour voir quels sont les défis à relever pour rendre cette technologie utile dans les véhicules. Sur ce point, nous avons besoin du soutien de l’industrie. »
Le nitrure de bore est facilement disponible en quantités industrielles, et relativement bon marché, mais Chen affirme que la technique devrait fonctionner avec d’autres matériaux également. « Nous ne sommes pas limités au nitrure de bore, dit-il, nous l’utilisons simplement comme exemple. Vous pourriez également utiliser le graphène, pour prendre un autre exemple, et nous continuons à étudier d’autres matériaux. »
Il est clair que cette avancée a des implications potentiellement énormes, qui pourraient contribuer grandement à la réduction de la consommation d’énergie, à la réduction des émissions, à la transition énergétique verte et même à la réduction des prix des carburants et des produits chimiques. L’équipe a déposé des demandes de brevet provisoires, et nous sommes impatients d’apprendre ce qui est possible à mesure que la méthode est affinée et adaptée à des applications utiles.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702122001614?dgcid=author#f0025
