L'énergie fossile propre

Des scientifiques néerlandais collaborent à la recherche internationale sur le climat et l'énergie

L'Université Technique de Delft et le Centre de Recherche de l'Energie Néerlandais (ECN) à Petten ont été invités à développer de nouveaux réacteurs à membrane afin d'améliorer sensiblement la production d'hydrogène à base de combustibles fossiles et afin de séparer le gaz à effet de serre CO2 produit. Il s'agit donc de résoudre un des principaux problèmes environnementaux de notre époque: comment limiter les émissions de gaz à effet de serre, en particulier le CO2, sans mettre en péril le développement économique du monde.

TEXTE: ANTON BUYS | PHOTOS: WILLEM BLAUW

Dans le bureau du Prof. Dr. Joop Schoonman (62) à Delft se trouve le modèle réduit d'un électromoteur approvisionné en courant par une pile à combustible. La pile à combustible utilise de l'hydrogène provenant d'un petit réservoir et de l'oxygène venant de l'air pour produire l'électricité nécessaire. Le Prof. Schoonman remet le réservoir à son visiteur avant de faire une petite démonstration du fonctionnement. "Il est lourd n'est-ce pas?"
C'est le moins qu'on puisse dire. "C'est un hydrure métallique à base de fer-titanium, une liaison entre cet alliage et l'hydrogène. Si nous utilisons ce moyen de stockage pour les voitures, il est évident qu'elles s'affaisseront sous leur poids. Nous avons donc absolument besoin d'autre chose pour stocker l'hydrogène pour les applications mobiles."

Les sources d'énergie durables | La pile à combustible dont il vient de nous expliquer le fonctionnement illustre parfaitement la passion du Prof. Schoonman: l'énergie propre. Il est célèbre pour sa recherche de sources d'énergie durables, durant laquelle il a toujours fait preuve d'un intérêt particulier pour les applications décentrées à petite échelle. En 1997, il a été un des fondateurs du Centre de Recherche inter facultés de Delft (DOIC). Ce centre se penche sur la conversion et le stockage d'énergie durable. Son "rêve", comme il en parle lui-même, était et reste le développement de solutions décentralisées: la pile solaire et l'éolienne avec un rendement suffisant pour des habitations et des bâtiments, des batteries rechargeables au lithium-ion avec une capacité bien supérieure à celles des batteries au plomb-acide, que nous trouvons actuellement dans nos voitures, ainsi que l'usage d'hydrogène comme vecteur alternatif d'énergie.
Le dénominateur commun de toutes ces applications est l'usage de la nanotechnologie. C'est également le lien avec l'initiative internationale la plus récente de recherche sur l'énergie dans laquelle le Professeur Schoonman est impliqué, le Global Climate and Energy Project (GCEP) de l'Université de Stanford en Californie, un programme scientifique fondamental ambitieux qui recherche des méthodes fonctionnelles et économiques pour limiter les émissions de gaz à effet de serre sans mettre l'approvisionnement en énergie et donc le développement économique mondial en danger. Stanford coordonne le GCEP. ExxonMobil parraine le travail de recherche avec d'autres grands groupes. L'initiative se compose d'une série de projets, qui jusqu'à présent étaient réservés à des instituts de recherche américains. Au printemps, il a été rendu public que des instituts scientifiques non américains participeraient au projet. L'Université Technique de Delft et le centre de Recherche pour l'Energie néerlandais (ECN) à Petten ont été invités à développer les nouveaux réacteurs à membrane pour que la production d'hydrogène à base de combustibles fossiles ait lieu bien plus efficacement et pour séparer in situ le gaz à effet de serre CO2 qui se libère lors du processus.

Les éléments plus petits | Il n'est pas facile d'expliquer à un public profane mais intéressé ce que cette recherche représente exactement. Tous les scientifiques concernés remontent jusqu'aux plus petits éléments dont est composée la nature pour développer des méthodes de précision permettant de produire bien plus facilement de l'hydrogène qu'avec les techniques de production à grande échelle actuelle, telles que le craquage à vapeur. Ces méthodes nécessitent en effet beaucoup d'énergie pour libérer les molécules d'hydrogène des hydrocarbures et elles provoquent en outre une grande quantité de dioxyde de carbone. Le Professeur Schoonman et ses collaborateurs étudient à ce sujet les membranes céramiques. Un de ses collègues à Delft, le Dr. Cor Peters, examine la capacité des membranes liquides à séparer efficacement le CO2. Et finalement, l'équipe de projet ECN/GCEP, dirigée par l'ingénieur Daan Jansen et le Dr. W. G. Haije se penchent dans le même objectif sur un troisième type de membrane, fabriqué en hydrotalcite, une matière calcaire.

Personnel
Le Professor Schoonman est un chimiste des matières solides, spécialisé en nanotechnologie. Il a terminé ses études d'ingénieur chimiste en 1967 à l'Université d'Utrecht. Depuis 1984, il travaille comme professeur de chimie anorganique à Delft. Actuellement, il est directeur scientifique de l'Institut pour l'Energie Durable de Delft. Depuis un certain temps, il est titulaire d'une chaire à Leiden. C'est un scientifique de renommée internationale, qui a donné des cours en tant que hôte au célèbre Massachusetts Institute of Technology et à l'université qu'il appelle "sa seconde résidence": Stanford en Californie.

Passionné | Les talents didactiques du Prof. Schoonman apparaissent immédiatement lorsque nous lui demandons comment les molécules d'hydrogènes sont séparées dans les membranes céramiques et ce qui doit se passer pour que ce processus fonctionne correctement. Il se rend au tableau noir qui pend dans son bureau, y inscrit quelques formules chimiques et commence à raconter avec enthousiasme. "Dans un craqueur à vapeur, l'hydrogène est produit en faisant réagir de la vapeur avec du méthane, c'est à dire du gaz naturel. Cela donne un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Nous recueillons cet hydrogène en faisant passer le mélange gazeux par une membrane avec des petits trous microscopiques, des pores.
Les petits orifices de cette membrane nanoporeuse laissent passer les molécules d'hydrogène, mais retiennent le monoxyde de carbone. Pour y arriver, nous devons rendre les pores encore plus petits qu'ils ne sont naturellement. Nous faisons cela en déposant des couches d'atomes sur la paroi intérieure des pores, jusqu'à ce qu'ils aient le diamètre exact, environ un demi nanomètre.
Nous avons d'ailleurs déjà testé ce processus avec succès dans une expérience précédente avec les piles solaires." L'objectif de ce projet GCEP est de développer une membrane céramique en forme de tuyau qui doit fonctionner à une température d'environ 500 degrés afin d'être compatible avec le craquage à vapeur. En outre, il faut éviter que les pores de la membrane se bouchent. Un peu plus tard, nous nous retrouvons avec le Professeur Schoonman dans un clean room devant une expérience. "Ici, nous testons entre autres le fonctionnement de nos membranes céramiques. Notre tâche est de séparer efficacement l'hydrogène du mélange gazeux in situ en consommant le moins possible d'énergie. Il s'agit de reproduire cela en grand et de manière rentable. Ce n'est qu'alors que nous aurons réussi."

Ir. Daan Jansen (ECN)
<Nous allons examiner ce phénomène et tenter d'optimaliser la capture de CO2 afin que la structure de la membrane reste stable.>

Les liquides ioniques | Le Prof. Schoonman et ses collaborateurs se concentrent sur la production d'hydrogène propre. Les autres parties du projet GCEP néerlandais ont trait à la séparation du CO2, nécessaire pour pouvoir le stocker. Ces trois étapes forment les ingrédients de l'utilisation propre des combustibles fossiles, c'està- dire (pratiquement) sans émission de gaz à effet de serre.
Le Dr. Ir. Cor Peters s'en occupe au sein de l'équipe scientifique de l'UT de Delft. En dehors de Delft, il enseigne également au Center of Excellence of Tohoku University à Sendai au Japon. Il connaît tout des liquides ioniques. Presque tout, devons-nous dire, car sa recherche dans le cadre GCEP doit résoudre certains problèmes qui vont de pair avec les propriétés de membranes de ce type de liquides. "Il est caractéristique pour les liquides ioniques qu'ils ne s'évaporent pas. De ce fait, ils sont particulièrement stables. Vous pouvez conserver ce genre de liquides très longtemps; même après des dizaines d'années, la composition n'aura pas changé. C'est important pour nous, car de ce fait, son fonctionnement reste également stable. Nous recherchons des liquides ioniques dissolvant le dioxyde de carbone, mais pas l'hydrogène. Grâce à ce phénomène, nous espérons être capables de séparer le CO2. Si vous savez qu'il y a plus de trois milliards de liquides ioniques connus, vous aurez une idée de l'ampleur du puzzle à résoudre pour trouver celui qui fonctionne le mieux. C'est en somme un terrain totalement neuf. De toute façon, nous savons déjà de quel côté nous ne devons pas chercher. Ce dont nous avons besoin, c'est quelque chose d'une grande stabilité thermique à une température d'environ 500 degrés. Nous nous sommes donné un an pour arriver à des résultats utilisables."

Une nouvelle membrane | Pour le troisième volet de la recherche GCEP, nous devons nous rendre dans les dunes de la province de Noord-Holland. Là, près du village de Petten, se trouve le Centre Néerlandais de Recherche pour l'Energie. Les quelque 650 collaborateurs étudient les problèmes relatifs à l'énergie dans le sens le plus large. Outre les sources d'énergie renouvelables, telles que le soleil et le vent, leur intérêt se porte également sur l'utilisation propre des combustibles fossiles. L'Ir. Daan Jansen est directeur de programme et des connaissances dans l'unité "Fossiles propres", qui est responsable pour cette partie de la recherche sur l'énergie. Contrairement à la recherche dans la section du Prof. Schoonman, où il s'agit d'introduire des membranes céramiques de séparation avec une nanostructure, les chercheurs du ECN se concentrent sur le développement d'un tout nouveau type de membrane, fabriqué avec le minéral hydrotalcite, une sorte de pierre calcaire poreuse. "Nous avons déjà acquis beaucoup d'expérience par l'étude de nombreux matériaux utilisés comme membrane", explique Daan Jansen.
"L'hydrotalcite est un excellent adsorbant de dioxyde de carbone. Séparer ensuite le CO2 adsorbé par l'hydrotalcite est relativement simple. Cela se fait en abaissant la pression et en ajoutant de la vapeur. Notre tâche est de développer un nouveau réacteur sur base d'une membrane fabriquée avec cette matière ou une matière similaire. Actuellement, le processus d'adsorption et de désadsorption du dioxyde de carbone dans les membranes qui sont fabriquées avec ce matériel provoque une forte tension mécanique. Cela provient du changement de composition du matériel par lequel il rétrécit et gonfle ainsi que de la différence de pression des deux côtés de la membrane. Cela endommage la membrane. Nous allons examiner ce phénomène et tenter d'optimaliser la capture de CO2 afin que la structure de la membrane reste stable. Ceci est comparable à la conception d'un vecteur, tel qu'un tuyau, qui assure la résistance mécanique nécessaire."
Tout comme à Delft, une expérience a été mise en place. Daan Jansen nous en explique le fonctionnement. "A l'origine, cet appareil a été conçu pour la recherche de la séparation d'hydrogène.
Il peut mesurer avec exactitude la quantité de CO2 qui est séparée des autres gaz; parallèlement, nous pouvons l'utiliser pour tester le fonctionnement de membranes en forme de tuyau, par exemple celle de l'hydrotalcite, mais également si nécessaire les membranes céramiques de Delft."

Dr. Ir. Cor Peters (TU Delft)
<Nous recherchons des liquides ioniques dissolvant le dioxyde de carbone, mais pas l'hydrogène.>

Des énergies durables vers les energies fossiles | La recherche concernant la technologie de membranes est fondamentale, mais il s'agit finalement de trouver une solution à l'un des principaux problèmes environnementaux de notre époque: comment limiter les émissions de gaz à effet de serre, en particulier le CO2, sans mettre le développement de l'économie mondiale en danger? Il semble que les chercheurs du GCEP ont un avis bien précis à ce sujet. Nous retournons donc à Delft. Joop Schoonman, qui a consacré une grande partie de sa carrière scientifique à la recherche de technologies d'énergie durable et propre, est également conscient qu'à terme, on ne peut pas se passer de l'énergie fossile: "Nous passerons d'abord par une époque de "fossile propre". A cet effet, nous avons besoin de nouvelles méthodes de stockage sûres pour l'hydrogène, développées à base de la nanotechnologie, et d'une solution structurelle pour le problème du CO2. La recherche fondamentale telle que dans le cadre du GCEP est indispensable à cet effet, parce que le développement faisant suite au fossile propre sera basé en large mesure sur l'hydrogène comme vecteur d'énergie.