Des chercheurs conçoivent un réacteur à membrane céramique pour la production d'hydrogène

Des chercheurs de CoorsTek Membrane Sciences, de l'Université d'Oslo et de l'Instituto de Tecnologica Quimica de Valence, en Espagne, ont collaboré pour développer une technologie de réacteur à membrane céramique afin d'améliorer la production d'hydrogène. Avec cette technologie, les chercheurs ont réussi à créer une méthode permettant à la fois de produire de l'hydrogène et de capturer du CO2 en une seule étape. Cela rend la méthode beaucoup plus économe en énergie.

"Les méthodes actuellement établies ont des cotes d'efficacité énergétique comprises entre 70 % et 75 %, mais notre approche a une efficacité potentielle de 90 %", a expliqué Harald Malerød-Fjeld de CoorsTek Membrane Sciences à Oslo. "Le produit final est de l'hydrogène comprimé avec un haut degré de pureté. Le réacteur à membrane en céramique sépare également le dioxyde de carbone plus efficacement, ce qui permet de transporter et de séquestrer facilement les gaz à effet de serre."

Il y a cinq ans, l'équipe de chercheurs venait de réussir à démontrer les principes fondamentaux de la production d'hydrogène grâce à une nouvelle approche très économe en énergie. Un article récent dans Science a maintenant confirmé que la méthode fonctionne, et l'équipe travaille maintenant à faire évoluer la technologie.

"Il s'agit d'une étape importante sur la voie de rendre l'hydrogène beaucoup plus pratique comme carburant", a commenté Malerød-Fjeld. "Le processus a également une faible empreinte carbone."

CoorsTek Membrane Sciences est spécialisée dans la fabrication de matériaux céramiques pour la conversion d'énergie et, avec SINTEF, est l'un des partenaires de recherche de ce projet.

La recherche est menée dans les installations et les laboratoires de SINTEF à Oslo, qui sont colocalisés avec les locaux de CoorsTek Membrane Sciences. Thijs Peters, chercheur principal au SINTEF, est l'un des co-auteurs de l'article scientifique sur le nouveau projet.

"Ce qui est intéressant avec cette technologie, c'est qu'elle a une pertinence à la fois à court et à long terme", a ajouté Peters. "Il peut être utilisé non seulement pour la production d'hydrogène bleu à partir de gaz naturel, mais aussi pour l'hydrogène vert à partir de biogaz ou d'ammoniac dans le cadre d'un" avenir plus durable "."

La technologie utilisée pour produire de l'hydrogène à partir du gaz naturel est appelée reformage à la vapeur. Le gaz naturel est constitué en grande partie de méthane et lorsque celui-ci réagit avec la vapeur, quatre molécules d'hydrogène sont obtenues pour chaque molécule de méthane. Pour que cette réaction réussisse, la vapeur doit être fournie à des températures élevées.

Un problème majeur associé au reformage à la vapeur est que le processus est énergivore et se déroule en plusieurs étapes. Il a également du CO2 comme sous-produit. La nouvelle technologie, en revanche, ne nécessite aucune chaleur externe pour entraîner le processus de reformage à la vapeur. Une des clés du nouveau processus est que la chaleur est produite automatiquement lorsque l'hydrogène est pompé à travers la membrane en céramique. Dans cette méthode, la chaleur est générée exactement là où elle est nécessaire.

Le plus petit bloc de construction utilisé dans la nouvelle méthode est une pile à combustible électrochimique constituée d'un cylindre en céramique de six centimètres de long. Le réacteur à membrane à grande échelle, qui est décrit dans l'article de Science, mesure 4 cm sur 40 cm. Il est composé de 36 cellules de ce type qui sont connectées pour former un circuit électrique continu.

Le matériau qui relie les cellules est constitué d'une vitrocéramique qui, comme son nom l'indique, est un composite de verre et de matériaux céramiques, comme la porcelaine. Ce matériau est ensuite mélangé à une poudre métallique électriquement conductrice.

Selon CoorsTek Membrane Sciences, le développement de ce matériau a été essentiel pour rendre possible le processus de mise à l'échelle. La membrane du réacteur est ensuite placée dans un tube en acier qui maintient les gaz sous haute pression.

Le secret de cette nouvelle technologie réside dans le matériau, appelé céramique conductrice de protons, qui constitue la membrane qui élimine l'hydrogène du mélange gazeux.

En rencontrant le méthane (CH4), les molécules d'hydrogène sont divisées et la membrane décompose les atomes individuels en leurs protons et électrons constitutifs. Les protons chargés positivement traversent la membrane, tandis que les électrons sont capturés sur les électrodes et transportés autour de la membrane via un circuit électrique externe. Lorsque les protons et les électrons sont réunis de l'autre côté de la membrane, le produit est de l'hydrogène pur et comprimé.

Le rôle de SINTEF dans le projet a été de tester les réacteurs et d'étudier comment ce nouveau concept de production d'hydrogène peut être intégré dans un système énergétique plus large.

"C'est très gratifiant de travailler en si étroite collaboration avec un client pour développer une technologie aussi pertinente pour la transition verte", a expliqué Thijs Peters. "On apprend beaucoup de relations de travail aussi étroites avec des gens dans tant de domaines différents."

Harald Malerød-Fjeld est également très satisfait. La collaboration de son entreprise avec SINTEF a été très étroite et a généré des résultats visibles qui ont maintenant été rapportés dans un périodique international très prestigieux.

La prochaine étape du développement de cette technologie est déjà en cours. Une installation pilote a été établie à Dhahran en Arabie Saoudite. Le générateur installé dans cette installation, qui est cinq fois plus gros que celui décrit dans l'article de Science, s'est également révélé fonctionner.

"Nous sommes certains que cette technologie peut encore être étendue", a conclu Harald Malerød-Fjeld. "Notre espoir est que la première installation industrielle d'un système commercial de production d'hydrogène puisse avoir lieu dans les deux à trois prochaines années."

SINTEF continue de collaborer avec CoorsTek Membrane Sciences sur le développement de réacteurs à membrane plus grands, et les deux organisations travaillent sur d'autres projets liés à la technologie des matériaux.

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