À ce jour, il n’existe que quelques projets réalisés dans le monde d’installations en service pour produire du méthane à partir du bois. Les premiers résultats laissent espérer une avancée sérieuse dans ce sens.
Pour les formules de l'article « Méthane issu de la biomasse », voir
Le méthane CH4 est un gaz incolore et inodore, presque deux fois plus léger que l'air. Il se forme dans la nature à la suite de la décomposition sans accès à l'air des restes d'organismes végétaux et animaux. C’est pourquoi on le retrouve par exemple dans les zones humides et les mines de charbon. Le méthane est contenu en quantités importantes dans le gaz naturel, aujourd’hui largement utilisé comme combustible dans la vie quotidienne et dans l’industrie.
L'une des technologies les plus dynamiques dans le domaine de la production d'énergie à partir de sources renouvelables est aujourd'hui la production de biométhane par fermentation anaérobie et son approvisionnement ultérieur aux réseaux à travers lesquels le gaz naturel est livré aux consommateurs. Malgré les coûts élevés de production de biométhane grâce à cette technologie (8 à 10 centimes d'euro pour 1 kWh), le nombre d'installations pour sa production ne cesse de croître. En 2009, 23 installations de biogaz classiques (alimentées par le fumier) injectant du gaz dans les gazoducs existants étaient déjà en service en Allemagne, et 36 autres sont en construction ou en projet. La raison de la croissance de cet indicateur est la loi sur les énergies renouvelables (Erneuerbare Energien Gesetz - EEG), adoptée en Allemagne en 2004, modifiée en 2009 et permettant aux vendeurs de gaz d'offrir à leurs clients du gaz obtenu à partir de sources régénératives et de recevoir des subventions gouvernementales pour la production d'électricité. à partir de sources d’énergie renouvelables (SER).
La première usine au monde à produire du gaz SNG à partir de bois en
Ville autrichienne de Güssing. Au premier plan, une unité de production de méthane
Le biométhane, selon le schéma classique et désormais largement utilisé, est obtenu à partir de substrats végétaux (par exemple le maïs), de lisiers de complexes porcins, de fumier de bétail, de fumier de poulet, etc. Ce méthane issu de la biomasse peut être obtenu par sa décomposition anaérobie (fermentation ). Lors de la digestion anaérobie, la matière organique (déchets naturels) se décompose en l'absence d'oxygène. Ce processus se déroule en trois étapes impliquant deux groupes différents de bactéries. Dans un premier temps, les composés organiques complexes (acides gras, protéines, glucides) sont transformés en composés plus simples grâce à l'hydrolyse enzymatique. Dans un deuxième temps, les composés simples sont exposés à un groupe de bactéries anaérobies (ou acidogènes), ce qui entraîne la formation d'acides gras principalement volatils. Dans la troisième étape, les acides organiques sont transformés en dioxyde de carbone et en méthane par l'action de bactéries strictement anaérobies (ou méthane). Après cette étape, on obtient du gaz enrichi en méthane (biogaz), dont le pouvoir calorifique est de 5 340 à 6 230 kcal/m 3 .
Les « ersatzgas » issus de la biomasse solide, comme le bois, présentent un avantage significatif par rapport au biogaz obtenu à partir du fumier et des détritus : les acteurs de la production de ce gaz disposent de volumes impressionnants de déchets provenant des scieries, de l'exploitation forestière et de la transformation du bois. De plus, sur le marché européen, les prix des déchets de scierie et de transformation du bois, contrairement aux prix des produits agricoles utilisés pour produire du biogaz, fluctuent beaucoup moins. Il ne faut pas oublier que l’utilisation de produits agricoles (céréales, maïs, colza, etc.) pour produire du biogaz entraîne à terme une hausse des prix sur les marchés alimentaires. De plus, la chaleur résiduelle issue de la réaction chimique a une température plus élevée que la température de la chaleur résiduelle provenant des réactions de fermentation dans les installations de biogaz classiques. Il s’ensuit que l’énergie thermique libérée lors des processus de méthanisation du bois peut être utilisée plus efficacement dans l’approvisionnement en chaleur régionale. Il est également important que, contrairement aux installations de biogaz classiques, il n'y ait pas d'odeurs désagréables lors de l'exploitation des installations de production de méthane à partir du bois. De plus, ces installations prennent beaucoup moins de place que les installations classiques et peuvent être implantées au sein des agglomérations urbaines.
Technologies
Le résultat de la production généralisée de biométhane à partir de substrats agricoles par fermentation (fermentation anaérobie) est aujourd’hui le biométhane, composé principalement de méthane et de dioxyde de carbone. Ensuite, le biométhane doit subir une préparation spéciale et un raffinement jusqu'à obtenir la qualité du gaz naturel en séparant le CO 2 . La perte de chaleur pendant la fermentation limite l’efficacité de l’ensemble de la chaîne de processus. L'efficacité est de 50 à 60 %.
Dans la production de gaz naturel de synthèse (Substitute Natural Gas - SNG) à partir de combustibles solides contenant du carbone tels que le charbon ou la biomasse (bois), après gazéification thermique dans la première étape du processus, on obtient ce que l'on appelle le gaz synthétique, à partir de lequel, après purification de toutes sortes d'impuretés (principalement du dioxyde de carbone et des composés soufrés et chlorés), le méthane est synthétisé. Ce processus exothermique se produit à des températures comprises entre 300 et 450 °C et à des pressions de 1 à 5 bars en présence d'un catalyseur approprié. Dans ce cas, les réactions suivantes se produisent :
Voir les formules dans
Contrairement à la fermentation anaérobie, la gazéification thermique de la biomasse atteint des rendements plus élevés car la chaleur résiduelle issue de la production de SNG peut toujours être utilisée sur place.
En principe, la production de méthane à partir de gaz de synthèse ainsi qu'à partir de mélanges gazeux d'hydrogène (H 2) et de monoxyde de carbone (CO) est une technologie très ancienne. Le chimiste français Paul Sabatier a inventé une méthode de production de méthane, nommée en son honneur : la réaction de Sabatier ou procédé Sabatier (français : Sabatier--Reaktion). En 1912, il reçut pour cela le prix Nobel de chimie. Ce processus implique la réaction de l'hydrogène avec le dioxyde de carbone à température et pression élevées en présence d'un catalyseur au nickel pour produire du méthane. Le ruthénium avec l'oxyde d'aluminium peut être utilisé comme catalyseur plus efficace.
Le processus est décrit par la réaction chimique suivante :
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O.
Étant donné que les deux réactions sont hautement exothermiques, sans mesures spéciales pour refroidir les réacteurs ou faire recirculer, le catalyseur se dégraderait lorsqu'il serait chauffé à 600 °C. De plus, à des températures élevées, l'équilibre thermodynamique du H 2 et du CO se déplace, de sorte qu'un rendement en méthane suffisamment élevé ne peut être atteint qu'à des températures inférieures à 300 °C.
La technologie de gazéification a été créée dans les années 1800 pour produire du gaz de synthèse, nécessaire à l'éclairage des villes, mais également utilisé comme liquide de refroidissement à des fins domestiques et industrielles (métallurgie, machines à vapeur, etc.). Le charbon, la biomasse végétale et ses produits transformés (charbon de bois) ont été soumis à la gazéification.
L'utilisation du processus de base de gazéification du charbon pour produire des produits chimiques et des carburants synthétiques a commencé dans les années 1920 à l'Institut Kaiser Wilhelm de recherche sur le charbon à Mülheim an der Ruhr (Allemagne). Dans cet institut, Franz Fischer et Hans Tropsch ont inventé une méthode de production de gaz de synthèse (syngas) pour la production de combustible liquide à partir du charbon en Allemagne. Le procédé Fischer-Tropsch, ou synthèse Fischer-Tropsch (FTS), est une réaction chimique se produisant en présence d'un catalyseur (fer, cobalt), dans laquelle un mélange de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H 2), qui c'est-à-dire que le gaz de synthèse est converti en divers hydrocarbures liquides. Les hydrocarbures résultants sont purifiés pour obtenir le produit cible : l’huile synthétique. Le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone se forment lors de l'oxydation partielle du charbon et/ou du bois de chauffage.
Le processus Fischer – Tropsch est décrit par l'équation chimique suivante :
CO + 2H 2 → --CH 2 -- + H 2 O
2CO + H 2 → --CH 2 -- + CO 2 .
Le gaz de synthèse obtenu après gazéification du charbon ou des déchets solides contenant du carbone peut être directement utilisé comme combustible, sans conversion supplémentaire via le procédé Fischer-Tropsch. Ainsi, il est assez simple de passer du gaz au combustible liquide. Pendant la Seconde Guerre mondiale en Allemagne, la synthèse Fischer-Tropsch a été utilisée dans huit usines pour produire du carburant diesel synthétique (environ 600 000 tonnes par an). Le projet a été entièrement financé par l'État. Après la fin de la Seconde Guerre mondiale en Allemagne, toutes ces usines ont été fermées et en partie, avec la technologie, ont été exportées à titre de réparations vers les États-Unis, d'où elles ont été distribuées dans le monde entier. Parallèlement, en République d’Afrique du Sud, la société South African Synthetic Oil Ltd. (SASOL), en utilisant la technologie allemande, a commencé à produire du carburant synthétique et produit à ce jour plus de 200 000 barils d'équivalent pétrole d'hydrocarbures liquides par an dans ses quatre usines en Afrique du Sud et une usine au Qatar. L'Afrique du Sud a été pendant longtemps le seul pays au monde où le processus de CFT a été développé. Mais après la crise de 1973, les sociétés pétrolières et énergétiques mondiales de nombreux pays (notamment les États-Unis et l’Allemagne) ont commencé à s’intéresser à la fois à la production de carburants liquides synthétiques et à la production de gaz de synthèse naturel.
Un certain nombre de projets ont été développés pour la production de gaz de synthèse naturel, mais un seul d'entre eux a été mis en œuvre avec succès à l'échelle industrielle. En 1984, la Great Plains Synfuels Plant (Dakotagas Company) a lancé aux États-Unis l’usine de méthanisation du lignite, qui produit encore aujourd’hui du gaz naturel de synthèse injecté dans le réseau de gaz naturel. La capacité journalière de l'usine est de 3,9 millions de m3 de SNG.
Il convient également de rappeler l’expérience de l’Union soviétique, où, de la fin des années 1920 aux années 1950, les centrales à gaz fonctionnaient en utilisant du bois (bois de chauffage et charbon de bois) et de la tourbe pour produire du carburant gazeux. En 1929, la première grande centrale à gaz fonctionnant à la tourbe a été construite en URSS et, au cours des années suivantes, un certain nombre d'autres centrales similaires ont été construites dans de grandes entreprises. La production de gaz de bois était principalement utilisée comme carburant de transport. Après le début du développement de la Sibérie occidentale et la découverte des plus grands gisements de combustible bleu au monde, la production de gaz en URSS a malheureusement été injustement oubliée.
Produire du méthane à partir du bois
Lors de la gazéification, la biomasse de formule chimique CH n O m est d'abord convertie en gaz de synthèse constitué d'hydrogène et de monoxyde de carbone. À partir de l'équation générale stoechiométrique de la réaction de méthanation de la biomasse avec la formule de somme
CH 1,23 O 0,38 + 0,5025 H 2 O → 0,55875 CH 4 +0,44125 C 2 O
il s'ensuit que de l'eau ou de la vapeur d'eau doivent être fournies au réacteur à méthane et que le dioxyde de carbone doit en être éliminé. Il existe ici plusieurs options : soit le CO 2, comme dans la synthèse industrielle, est éliminé du gaz de synthèse directement du réacteur à méthane, soit, comme dans la préparation du biogaz (fermentation), après le processus de méthanation, déjà à partir du gaz naturel synthétique non raffiné. . L'avantage de la première méthode par rapport aux autres est que le gaz déjà purifié entre dans le cycle de méthanation. Les avantages de la deuxième méthode sont que le réacteur à méthane peut fonctionner avec un excès de vapeur d'eau, ce qui réduit considérablement la formation de carbone.
Des travaux dans ces domaines sont menés à l'Institut Paul Scherrer (Suisse), qui a notamment participé à la rédaction du Programme de production de méthane à partir de biomasse à l'aide de nouvelles technologies (dans des couches vortex catalytiquement actives) dans le cadre de l'EU BioSNG. projet. Cette technologie a été mise en pratique dans la centrale thermique de la ville autrichienne de Gussing. L'usine de synthèse de méthane, mise en service en 2009, a une puissance de 1 MW et fonctionne aux copeaux de bois. Un projet de 30 MW visant à produire du méthane à partir du bois à Göteborg, en Suède, est actuellement en discussion. Des travaux similaires sont menés en Allemagne (Stuttgart, ZSW), aux Pays-Bas (Energy Research Center, ECN) et à l'Institut de génie thermique de l'Université technique de Graz (Autriche) en collaboration avec la société Agnion à Pfaffenhofen an der Ilm. ( Allemagne).
Efficacité de la synthèse du méthane à partir de la biomasse
Lors de la production de méthane à chaque phase du processus, comme dans tout processus de synthèse, des pertes sont inévitables. Lorsque des réactions exothermiques se produisent, de la chaleur est évacuée, dont la teneur en énergie dans le produit de synthèse fini ne peut pas être supérieure à l'énergie chimiquement liée pendant le processus de synthèse. Pour la méthanisation, cela signifie qu’environ 60 % seulement de l’énergie de la biomasse utilisée est retenue dans le produit fini – le SNG.
Mais comme la chaleur rejetée a une température élevée de 200 à 400 °C, elle peut être utilisée sur place. Pour cette raison, les petites installations de synthèse de méthane deviennent particulièrement rentables, car il est possible de résoudre le problème de l'utilisation à 100 % de la chaleur résiduelle, par exemple pour chauffer les ménages privés, les fermes, l'utilisation dans les complexes de séchage, etc. seulement la chaleur perdue de la gazéification et de la méthanation, mais aussi la chaleur de condensation de la vapeur d'eau dans le gaz de synthèse non raffiné, qui contient jusqu'à 50 % de vapeur d'eau. L'efficacité globale avec une telle utilisation complète de la chaleur et la vente du GNS obtenu au réseau de gaz et aux installations de stockage de gaz est proche de 95 %. La période de récupération de tels projets n’est que de quelques années.
Étant donné que le gaz naturel peut toujours être utilisé avec une efficacité nettement supérieure à celle des combustibles solides issus de la biomasse, il est préférable d'utiliser du méthane obtenu à partir du bois plutôt que de brûler directement des biocombustibles solides. Raison : lors de l'utilisation de gaz naturel pour produire de l'électricité dans une centrale électrique à turbine à gaz ou à vapeur, on obtient jusqu'à 60 % de l'électricité, et lors de la combustion de combustible solide à partir de biomasse, il est très difficile de mettre en œuvre des projets avec une production d'électricité supérieure à 30 % . De plus, avec une production d'électricité décentralisée allant jusqu'à 1 mW/h, les centrales de cogénération au gaz utilisant du gaz de synthèse sont plus efficaces que les centrales thermiques utilisant un procédé cyclique organique (procédé ORC) et brûlant des biocarburants solides.
Le fonctionnement de telles centrales thermiques est basé sur une séquence de cycles du processus de circulation thermodynamique (ORC - cycle de Rankine organique) d'un fluide de travail à haut poids moléculaire (huile thermique, substances organiques évaporantes). La pompe de circulation pompe le fluide de travail dans l'échangeur thermique à liquide de refroidissement organique à haute température, où il s'évapore. La vapeur liquide entraîne la turbine, après quoi elle pénètre dans l'échangeur de chaleur suivant, où elle est refroidie par l'eau ou l'air et se condense. Le condensat entre dans le collecteur de la pompe de circulation et le cycle thermodynamique (ORC) se répète. Ni le liquide de refroidissement ni le liquide de refroidissement ne sont en contact direct avec la turbine ou le fluide de travail. Grâce au processus ORC, les centrales thermiques atteignent une puissance élevée, un fonctionnement fiable et une rentabilité.
Même la production d’énergie thermique à elle seule en utilisant du biométhane est compétitive par rapport aux méthodes conventionnelles de production de chaleur. Si la chaleur résiduelle issue du processus de méthanisation du bois est utilisée sur place (décentralisée) et que le gaz produit entre dans une installation de stockage de gaz naturel, on obtient un taux d'utilisation global de 93 %, ce qui n'est pas atteint par exemple par les centrales thermiques utilisant des copeaux de bois ou des pellets (le rendement de la station elle-même est moindre et en plus il y a des pertes dans les réseaux de chaleur).
Outre le gaz de synthèse préparé, de qualité naturelle, les grandes centrales thermiques au gaz peuvent également utiliser du gaz de synthèse « non purifié » pour la co-combustion avec le gaz naturel, ce qui réduira considérablement le coût de l'énergie produite.
Gaz de biomasse ou gaz naturel fossile ?
Le gaz naturel de synthèse (GNS) est un gaz de synthèse purifié qui présente des caractéristiques identiques au gaz naturel.
Selon les calculs de la société Agnion, le coût de production du SNG à partir de copeaux de bois dans des installations allant jusqu'à 1 MW est de 8 à 10 centimes d'euro/kWh.
Les coûts de production du biométhane sont comparables à ceux de l’extraction et du transport du gaz naturel fossile. Cependant, une telle production n’est actuellement pas compétitive. Tout dépendra des prix mondiaux du pétrole. Si le prix du pétrole brut, par exemple, est de 100 dollars le baril, alors en Allemagne, pour les clients industriels, le prix du gaz naturel est de 5 à 6 centimes d'euro/kWh. Pour les ménages privés, le prix sera plus élevé – 8 à 10 centimes d'euro/kWh. Avec un prix du pétrole supérieur à 200 dollars le baril annoncé à plusieurs reprises, le gaz naturel coûterait même aux clients industriels plus de 10 centimes d'euro/kWh. Sous cette condition, la production de GSN à partir de la biomasse pourrait être économiquement viable même sans subventions au titre de la loi RES. Et en Ukraine, aux prix actuels, le gaz de synthèse est deux fois moins cher que le gaz naturel. Ils développent leur propre projet de production de gaz de synthèse en gazéifiant un mélange de sciure, de paille, de tourbe et de charbon. Sa composition : jusqu'à 25-30 % de méthane, 30-35 % de monoxyde de carbone et les 6 % restants d'azote et de dioxyde de carbone.
Actuellement, les besoins énergétiques mondiaux s'élèvent à environ 11 à 12 milliards de tonnes d'équivalent carburant (ce) et sont satisfaits par 58 à 60 % du pétrole et du gaz. Les ressources énergétiques de la biomasse végétale renouvelable annuellement sont 25 fois supérieures au volume de pétrole produit. Actuellement, la biomasse végétale brûlée représente environ 10 % des ressources énergétiques consommées (environ 1 milliard de tonnes d'équivalent carburant), à l'avenir une expansion significative de l'utilisation de la biomasse est attendue sous la forme de produits de sa transformation (combustible liquide, solide , etc.) et, tout d’abord, les déchets qui s’accumulent et se décomposent, polluant l’environnement.
La demande de pétrole et de gaz naturel augmentera et, dans le même temps, les méthodes d'utilisation énergétique de la biomasse végétale (en plus de sa combustion directe) seront améliorées. Il est certain que, dans ce merveilleux avenir de la bioénergie, les technologies décrites ci-dessus seront demandées à un niveau industriel complètement différent. En tout cas, je veux le croire.
Sergueï PEREDERIY,
EKO Holz-und Pellethandel GmbH,
Düsseldorf, Allemagne
Les chimistes ont développé un photocatalyseur à base d'oxyde de cuivre et d'oxyde de zinc qui permet la conversion du dioxyde de carbone en méthane lorsqu'il est exposé au soleil, et l'utilisation d'un tel catalyseur évite complètement la formation de sous-produits. L'étude a été publiée dans Communications naturelles.
L'augmentation du dioxyde de carbone dans l'atmosphère est considérée comme l'une des causes possibles du réchauffement climatique. Afin de réduire d'une manière ou d'une autre le niveau de dioxyde de carbone, les scientifiques proposent de l'utiliser comme source chimique lors de la conversion en d'autres substances contenant du carbone. Par exemple, il y a eu récemment une réduction du dioxyde de carbone atmosphérique en méthanol. De nombreuses tentatives ont été faites pour développer des méthodes efficaces pour convertir le dioxyde de carbone en hydrocarbures. Typiquement, on utilise pour cela des catalyseurs à base d'oxyde de titane (IV), mais leur utilisation conduit à l'obtention d'un grand nombre de sous-produits, notamment d'hydrogène.
Dans leurs nouveaux travaux, des chimistes coréens ont proposé une nouvelle configuration de photocatalyseur composé d'oxyde de zinc et d'oxyde de cuivre (I), qui permet de réduire le dioxyde de carbone atmosphérique en méthane avec une grande efficacité. Pour obtenir le catalyseur, les chimistes ont utilisé une synthèse en deux étapes à partir d’acétylacétonates de cuivre et de zinc. En conséquence, il a été possible d’obtenir des nanoparticules sphériques d’oxyde de zinc recouvertes de petits nanocristaux cubiques d’oxyde de cuivre (I).
Schéma de synthèse de nanoparticules de catalyseur
K.-L. Bae et coll./Nature Communications, 2017
Il s'est avéré que ces nanoparticules sont des photocatalyseurs pour la conversion du dioxyde de carbone en méthane. La réaction a lieu à température ambiante lorsqu'elle est irradiée avec de la lumière dans les régions visible et ultraviolette dans un environnement aqueux. C'est-à-dire qu'il s'agit de dioxyde de carbone préalablement dissous dans l'eau. L'activité du catalyseur était de 1 080 micromoles par heure pour 1 gramme de catalyseur. La concentration de méthane dans le mélange de gaz résultant dépassait 99 pour cent. La raison d'une telle efficacité élevée du catalyseur est le rapport des énergies de bande interdite dans les oxydes de cuivre et de zinc, qui conduit à un transfert de charge plus efficace entre les composants.
Modification de la concentration de substances lors de la conversion du dioxyde de carbone en méthane à l'aide du catalyseur proposé
K.-L. Bae et coll./Nature Communications, 2017
De plus, les scientifiques ont comparé les propriétés du catalyseur proposé avec le catalyseur le plus efficace utilisé auparavant pour la conversion du dioxyde de carbone. Il s'est avéré qu'un catalyseur de même masse dans le même temps permet de produire environ 15 fois moins de méthane qu'un catalyseur neuf. De plus, la teneur en hydrogène du mélange obtenu est environ 4 fois supérieure à la teneur en méthane.
Selon les scientifiques, le catalyseur qu'ils ont proposé peut non seulement être utilisé pour la conversion efficace du dioxyde de carbone en méthane, mais constitue également une source d'informations sur les mécanismes de telles réactions avec la participation de photocatalyseurs.
D'autres méthodes sont également utilisées pour réduire la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Par exemple, récemment, dans l'une des centrales électriques d'Islande, il y avait un module qui capte le dioxyde de carbone atmosphérique.
Alexandre Doubov
Publié : 31/12/2016 11:32La production de méthane à partir de dioxyde de carbone est un processus qui nécessite des conditions de laboratoire. Ainsi, en 2009, à l'Université de Pennsylvanie (USA), du méthane a été produit à partir d'eau et de dioxyde de carbone à l'aide de nanotubes constitués de TiO 2 (dioxyde de titane) et contenant des impuretés azotées. Pour obtenir du méthane, les chercheurs ont placé de l'eau (à l'état de vapeur) et du dioxyde de carbone dans des récipients métalliques fermés par un couvercle contenant des nanotubes à l'intérieur.
Le processus de production de méthane est le suivant : sous l'influence de la lumière du Soleil, des particules porteuses d'une charge électrique sont apparues à l'intérieur des tubes. Ces particules séparent les molécules d'eau en ions hydrogène (H, qui se combinent ensuite en molécules d'hydrogène H2) et en radicaux hydroxyles (particules -OH). De plus, lors du processus de production de méthane, le dioxyde de carbone a été divisé en monoxyde de carbone (CO) et en oxygène (O 2). Enfin, le monoxyde de carbone réagit avec l’hydrogène, produisant de l’eau et du méthane.
La réaction inverse - la production de dioxyde de carbone se produit à la suite de la déformation du méthane à la vapeur - à une température de 700-1100°C et une pression de 0,3-2,5 MPa.
Au fil du temps, les technologies vertes deviennent de plus en plus populaires. Plus tôt cette semaine, LanzaTech a annoncé la production d'environ 15 000 litres de carburant aviation. Le monde produit chaque jour beaucoup plus de carburant, mais celui-ci est spécial, il a été obtenu à partir des émissions gazeuses des usines industrielles chinoises. Le carburant a été transféré à Virgin Atlantic, la société de Richard Branson, et l'avion rempli de ce carburant a déjà effectué un vol réussi.
Cette semaine, l'entreprise suisse Climeworks, qui recycle le dioxyde de carbone atmosphérique, a annoncé la création d'une usine en Italie qui consommera le CO2 de l'atmosphère et produira de l'hydrogène. Ce dernier sera utilisé dans le cycle de production de méthane.
L'usine est déjà construite, elle a été créée en juillet, son lancement (jusqu'à présent en mode test) a eu lieu la semaine dernière. Il est clair qu’une entreprise de ce type coûte cher et qu’il ne serait pas facile pour une startup de trouver des fonds pour mettre en œuvre un tel projet. L'Union européenne a trouvé de l'argent et financé le projet.
Il s'agit de la troisième usine de transformation du dioxyde de carbone de l'entreprise. La première entreprise n'était pas très grande, mais il s'agissait plutôt de créer une petite installation qui captait le CO2 de l'atmosphère et le rejetait dans des serres, où les plantes se développaient plus rapidement en raison de l'augmentation des concentrations de dioxyde de carbone. La deuxième usine a été construite en Islande, où elle convertit le CO2 de l'état gazeux à l'état lié. Le gaz est littéralement « injecté » dans la lithosphère des régions volcaniques actives (toute l’Islande est en fait une telle région), où il se lie chimiquement au basalte.
La deuxième option pour l'utilisation du dioxyde de carbone est assez difficile à mettre en œuvre techniquement, la mise en œuvre du projet s'est donc avérée quelque peu problématique. Cependant, la direction de l'entreprise a déclaré que les installations avaient fonctionné de manière continue et sans panne ; « aucune panne » n'avait été constatée pendant une période assez longue. Il est à noter que la conception de la deuxième usine est modulaire, elle peut être agrandie, augmentant ainsi la productivité de l'installation.
Quant à la troisième option d'une entreprise industrielle, elle ne fonctionnera pas 24 heures sur 24, mais seulement 8 heures par jour. Son objectif est de démontrer la possibilité de produire du carburant « à partir de rien ». Il est clair que lorsque le carburant brûle, il libère des produits de réaction, notamment du dioxyde de carbone. Mais l’usine captera le CO2 encore et encore, créant ainsi un « cycle du dioxyde de carbone artificiel ». Si la production augmente, la consommation de C02 et la production de carburant pour avions augmenteront également en volume.
Jusqu'à présent, l'installation de l'usine comprend trois collecteurs d'air, qui, selon les responsables du projet, sont très économes en énergie, bien plus que les versions précédentes. Par an, l'usine, avec le volume de travail actuel, peut collecter environ 150 tonnes de dioxyde de carbone. L'installation de l'usine permet la production d'environ 240 mètres cubes d'hydrogène par heure grâce à l'énergie générée par des panneaux solaires.
Carburant d'aviation produit à partir de dioxyde de carbone
Ensuite, l’hydrogène est combiné au CO2 (il est également isolé de l’air atmosphérique) à l’aide de catalyseurs. Le réacteur qui réalise cette opération a été développé par la société française Atmostat. Le méthane est purifié et utilisé pour les besoins industriels. Il est ensuite transformé en liquide sous pression et utilisé à des fins industrielles.
Bien que l’usine soit déjà opérationnelle, elle n’est pas économiquement rentable. Malheureusement, le chemin vers la rentabilité est long. Comme mentionné ci-dessus, la production ne peut « éliminer » qu’environ 150 tonnes de dioxyde de carbone par an. Et le volume annuel des émissions de cette substance dans l'atmosphère est de 30 à 40 gigatonnes, et ce chiffre augmente chaque jour.
Quoi qu'il en soit, la production est toujours en cours et les investisseurs sont clairement intéressés par cette technologie : l'entreprise a récemment clôturé un autre tour de table, recevant environ 30,8 millions de dollars.
Climeworks est une entreprise engagée dans des projets similaires ; le nombre de ces startups augmente progressivement, ce qui laisse espérer qu'à terme les entreprises atteindront des volumes de consommation de dioxyde de carbone beaucoup plus importants.
Dans l'industrie, les principales méthodes de production de dioxyde de carbone CO2 sont sa production comme sous-produit de la réaction de conversion du méthane CH4 en hydrogène H2, les réactions de combustion (oxydation) des hydrocarbures, la réaction de décomposition du calcaire CaCO3 en chaux CaO et eau. H20.
CO2 comme sous-produit du reformage à la vapeur du CH4 et d'autres hydrocarbures en hydrogène H2
L'hydrogène H2 est nécessaire à l'industrie, principalement pour son utilisation dans le procédé de production d'ammoniac NH3 (procédé Haber, réaction catalytique de l'hydrogène et de l'azote) ; L'ammoniac est nécessaire à la production d'engrais minéraux et d'acide nitrique. L'hydrogène peut être produit de différentes manières, y compris l'électrolyse de l'eau, très appréciée des écologistes. Cependant, malheureusement, à l'heure actuelle, toutes les méthodes de production d'hydrogène, à l'exception du reformage des hydrocarbures, sont absolument injustifiées économiquement à l'échelle d'une production à grande échelle. production - à moins qu'il n'y ait un excès d'électricité « gratuite » dans la production. Ainsi, la principale méthode de production d'hydrogène, au cours de laquelle du dioxyde de carbone est également libéré, est le reformage à la vapeur du méthane : à une température d'environ 700...1100°C et une pression de 3...25 bars, en présence de un catalyseur, la vapeur d'eau H2O réagit avec le méthane CH4 avec libération de gaz de synthèse (le processus est endothermique, c'est-à-dire qu'il se produit avec l'absorption de chaleur) :
CH4 + H2O (+ chaleur) → CO + 3H2
Le propane peut être reformé à la vapeur de la même manière :
С3H8 + 3H2O (+ chaleur) → 2CO + 7H2
Et aussi de l'éthanol (alcool éthylique) :
C2H5OH + H2O (+ chaleur) → 2CO + 4H2
Même l’essence peut être reformée à la vapeur. L'essence contient plus de 100 composés chimiques différents, les réactions de vaporéformage de l'isooctane et du toluène sont présentées ci-dessous :
C8H18 + 8H2O (+ chaleur) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ chaleur) → 7CO + 11H2
Ainsi, lors du reformage à la vapeur de l'un ou l'autre combustible hydrocarbure, de l'hydrogène et du monoxyde de carbone CO (monoxyde de carbone) sont obtenus. Dans l'étape suivante du processus de production d'hydrogène, le monoxyde de carbone, en présence d'un catalyseur, subit la réaction consistant à déplacer un atome d'oxygène O de l'eau au gaz = le CO est oxydé en CO2 et l'hydrogène H2 est libéré sous forme libre. La réaction est exothermique, dégageant environ 40,4 kJ/mol de chaleur :
CO + H2O → CO2 + H2 (+ chaleur)
En milieu industriel, le dioxyde de carbone CO2 libéré lors du reformage à la vapeur des hydrocarbures peut être facilement isolé et collecté. Cependant, le CO2 dans ce cas est un sous-produit indésirable, qui le libère simplement librement dans l'atmosphère, bien que la méthode actuelle d'élimination du CO2 soit indésirable d'un point de vue environnemental et que certaines entreprises pratiquent des méthodes plus « avancées ». , comme par exemple le pompage du CO2 dans des champs pétroliers en déclin ou injecté dans l’océan.
Production de CO2 à partir de la combustion complète d'hydrocarbures
Lorsqu'ils sont brûlés, c'est-à-dire oxydés avec une quantité suffisante d'oxygène, des hydrocarbures tels que le méthane, le propane, l'essence, le kérosène, le carburant diesel, etc., du dioxyde de carbone et, généralement, de l'eau se forment. Par exemple, la réaction de combustion du CH4 méthane ressemble à ceci :
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
CO2 comme sous-produit de la production de H2 par oxydation partielle du carburant
Environ 95 % de l'hydrogène produit industriellement dans le monde est produit par la méthode décrite ci-dessus de reformage à la vapeur d'hydrocarbures, principalement le CH4 méthane contenu dans le gaz naturel. En plus du reformage à la vapeur, l'hydrogène peut être produit à partir de carburant d'hydrocarbure avec une efficacité assez élevée par la méthode d'oxydation partielle, lorsque le méthane et d'autres hydrocarbures réagissent avec une quantité d'oxygène insuffisante pour une combustion complète du carburant (rappelez-vous que dans le processus de reformage complet combustion du carburant, brièvement décrite juste ci-dessus, on obtient du dioxyde de carbone (CO2 gazeux et H20 de l'eau). Lorsqu'une quantité d'oxygène inférieure à la quantité stoechiométrique est fournie, les produits de réaction sont principalement de l'hydrogène H2 et du monoxyde de carbone, également appelé monoxyde de carbone CO ; le dioxyde de carbone CO2 et certaines autres substances sont produits en petites quantités. Comme généralement, dans la pratique, ce procédé s'effectue non pas avec de l'oxygène purifié, mais avec de l'air, il y a de l'azote à la fois à l'entrée et à la sortie du procédé, qui ne participe pas à la réaction.
L'oxydation partielle est un processus exothermique, c'est-à-dire que la réaction produit de la chaleur. L'oxydation partielle se déroule généralement beaucoup plus rapidement que le reformage à la vapeur et nécessite un volume de réacteur plus petit. Comme le montrent les réactions ci-dessous, l’oxydation partielle produit initialement moins d’hydrogène par unité de carburant que n’en produit le processus de reformage à la vapeur.
Réaction d'oxydation partielle du méthane CH4 :
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ chaleur)
PropaneC3H8 :
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ chaleur)
Alcool éthylique C2H5OH :
C 2 H 5 OH + ½O 2 → 2CO + 3H 2 (+ chaleur)
Oxydation partielle de l'essence à l'exemple de l'isooctane et du toluène, à partir de plus d'une centaine de composés chimiques présents dans l'essence :
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ chaleur)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ chaleur)
Pour convertir le CO en dioxyde de carbone et produire de l'hydrogène supplémentaire, la réaction de déplacement de l'oxygène eau → gaz, déjà évoquée dans la description du procédé de vaporeformage, est utilisée :
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ petite quantité de chaleur)
CO2 issu de la fermentation du sucre
Dans la production de boissons alcoolisées et de produits de boulangerie à partir de pâte levée, le processus de fermentation des sucres est utilisé - glucose, fructose, saccharose, etc., avec formation d'alcool éthylique C2H5OH et de dioxyde de carbone CO2. Par exemple, la réaction de fermentation du glucose C6H12O6 est :
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2
Et la fermentation du fructose C12H22O11 ressemble à ceci :
C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2
Équipement pour la production de CO2 fabriqué par Wittemann
Dans la production de boissons alcoolisées, l'alcool obtenu est un produit souhaitable et même, pourrait-on dire, nécessaire de la réaction de fermentation. Le dioxyde de carbone est parfois libéré dans l’atmosphère et parfois laissé dans la boisson pour la gazéifier. Dans la fabrication du pain, c'est l'inverse qui se produit : le CO2 est nécessaire pour former des bulles qui font lever la pâte, et l'alcool éthylique s'évapore presque complètement pendant la cuisson.
De nombreuses entreprises, principalement des distilleries, pour lesquelles le CO 2 est un sous-produit totalement inutile, ont mis en place sa collecte et sa vente. Le gaz des cuves de fermentation est acheminé via des pièges à alcool vers l'atelier de dioxyde de carbone, où le CO2 est purifié, liquéfié et mis en bouteille. En fait, ce sont les distilleries qui sont les principaux fournisseurs de dioxyde de carbone dans de nombreuses régions - et pour beaucoup d'entre elles, la vente de dioxyde de carbone n'est en aucun cas la dernière source de revenus.
Il existe toute une industrie dans la production d'équipements pour la séparation du dioxyde de carbone pur dans les brasseries et les usines d'alcool (Brasserie Huppmann/GEA, Wittemann, etc.), ainsi que dans sa production directe à partir de carburants hydrocarbures. Les fournisseurs de gaz comme Air Products et Air Liquide installent également des stations pour séparer le CO2 puis le purifier et le liquéfier avant de le remplir en bouteilles.
CO2 dans la production de chaux vive CaO à partir de CaCO3
Le processus de production de chaux vive, CaO, largement utilisée, contient également du dioxyde de carbone comme sous-produit de la réaction. La réaction de décomposition du calcaire CaCO3 est endothermique, nécessite une température d'environ +850°C et ressemble à ceci :
CaCO3 → CaO + CO2
Si le calcaire (ou un autre carbonate métallique) réagit avec un acide, du dioxyde de carbone H2CO3 est libéré comme l'un des produits de réaction. Par exemple, l'acide chlorhydrique HCl réagit avec le calcaire (carbonate de calcium) CaCO3 comme suit :
2HCl + CaCO 3 → CaCl 2 + H 2 CO 3
L'acide carbonique est très instable et, dans les conditions atmosphériques, il se décompose rapidement en CO2 et en eau H2O.
