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Méthanol : le nouvel hydrogène
L'hydrogène a fait l'objet de beaucoup de battage publicitaire en tant que carburant de transport de remplacement potentiel, pour réduire les émissions de dioxyde de carbone et réduire la dépendance aux combustibles fossiles. Mais le méthanol serait bien meilleur que l'hydrogène plus réactif et volatil, affirme George Olah, chimiste et lauréat du prix Nobel, dans un nouveau livre, Au-delà du pétrole et du gaz : l'économie du méthanol .
Olah note que le méthanol, un liquide à combustion propre, ne nécessiterait que des modifications mineures aux moteurs existants et à l'infrastructure de distribution de carburant (voir L'économie du méthanol). Et sa fabrication pourrait même utiliser du dioxyde de carbone, une source de réchauffement climatique. Les avantages du méthanol sont compris depuis longtemps - maintenant, les progrès récents de la synthèse du méthanol et des piles à combustible au méthanol pourraient rendre ce carburant encore plus attrayant.
Actuellement, environ 90 pour cent de la production mondiale de méthanol (CH3OH) est dérivé du méthane (CH4), le principal composant du gaz naturel. Les méthodes actuelles de fabrication du méthanol comportent deux étapes : la conversion du méthane en gaz de synthèse, un mélange composé principalement de monoxyde de carbone et d'hydrogène, puis en méthanol. Bien que ces étapes soient devenues plus efficaces au fil du temps, l'élimination de l'étape du gaz de synthèse pourrait économiser de l'argent, car elle représente actuellement jusqu'à 70 % du coût de fabrication du méthanol.
Dans un effort pour éliminer ce coût, Olah et ses collègues ont exploré des moyens de convertir le méthane directement en méthanol. Vous prenez du méthane et vous vous en collez dans un seul atome d'oxygène, explique Olah, directeur du Loker Hydrocarbon Research Institute de l'Université de Californie du Sud (USC). Facile à dire, mais pas si facile à faire. Le problème est que le méthane est chimiquement inerte et ne se combine facilement avec l'oxygène qu'à haute température. Un catalyseur aide, mais les catalyseurs couramment utilisés eux-mêmes ne fonctionnent qu'à 300 degrés Celsius ou plus. À ces températures, la plupart du méthanol produit est oxydé en dioxyde de carbone et en eau. En effet, les rendements en méthanol de telles réactions peuvent être aussi bas que 2 pour cent.
Les catalyseurs à basse température récemment découverts offrent de meilleurs rendements, explique Roy Periana, professeur agrégé de chimie à l'USC. En utilisant un catalyseur à base de platine dissous dans de l'acide sulfurique concentré à 200 degrés Celsius, Periana a atteint un rendement en méthanol de plus de 70 %. Il recherche maintenant des catalyseurs moins chers et en a trouvé des prometteurs.
Olah et son collègue Surya Prakash, professeur de chimie à l'université, ont développé une méthode alternative pour convertir le méthane en méthanol, en utilisant un halogène tel que le brome. En présence de catalyseurs spéciaux et à moins de 250 degrés Celsius, le méthane réagit avec le brome pour former du bromure de méthyle (CH3Br) et du bromure d'hydrogène (HBr). Le bromure de méthyle réagit alors avec l'eau pour former du méthanol. Le brome du bromure d'hydrogène peut être récupéré par réaction avec l'air et réutilisé.
La fabrication de méthanol à partir de gaz naturel – qui utilise toujours des combustibles fossiles et augmente le dioxyde de carbone dans l'atmosphère – n'est que la première étape, dit Olah. Les chimistes savent depuis longtemps que le méthanol peut être fabriqué en combinant du dioxyde de carbone et de l'hydrogène. Un tel processus nécessite une énergie considérable, par exemple pour récupérer l'hydrogène de l'eau, mais cette énergie pourrait provenir de sources sans carbone telles que l'énergie nucléaire ou éolienne. Le dioxyde de carbone pourrait être capté des gaz de combustion, et éventuellement directement de l'atmosphère, dit-il.
Dans un tel système, le dioxyde de carbone libéré par la combustion du méthanol serait annulé par le dioxyde de carbone capturé pour le fabriquer. Ainsi, le processus serait neutre en carbone et le méthanol produit serait un carburant liquide pratique qui pourrait remplacer les carburants à base de pétrole. Si le dioxyde de carbone provient de l'air et l'hydrogène de l'eau, cette méthode de fabrication du méthanol serait comme une photosynthèse rapide : nous n'avons pas à attendre que la vie végétale convertisse lentement l'excès de dioxyde de carbone en hydrocarbures, dit Olah. Nous pouvons remplacer Mère Nature.
Olah souligne que le méthanol ainsi produit ne serait pas une nouvelle source d'énergie, mais simplement un moyen pratique de stocker de l'énergie. Son avantage par rapport à l'hydrogène serait la capacité d'utiliser les moteurs et l'infrastructure existants avec seulement des modifications mineures.
À bien des égards, avec ses faibles émissions et un indice d'octane de 100, le méthanol est déjà un meilleur carburant pour les moteurs à combustion interne que l'essence. Un moteur au méthanol peut fonctionner à un taux de compression plus élevé et est plus facile à refroidir. Mais le méthanol a quelques inconvénients : il a une pression de vapeur inférieure à celle de l'essence, ce qui rend les moteurs lents lors des démarrages à froid, et il brûle avec une flamme invisible, ce qui pourrait constituer un danger pour la sécurité, car il serait difficile pour les secouristes de le détecter en cas d'accident. , par example. Pour atténuer ces problèmes, le méthanol est aujourd'hui généralement mélangé à 15 % d'essence pour former un mélange de carburant connu sous le nom de M85.
Le méthanol est un carburant automobile encore meilleur lorsqu'il est utilisé en combinaison avec la technologie des piles à combustible, explique Paul Erickson, professeur adjoint en génie mécanique à l'Université de Californie à Davis. Les piles à combustible, qui convertissent directement l'énergie chimique en électricité, sont plus efficaces que les moteurs qui brûlent du carburant. La pile à combustible à hydrogène, en particulier, a été largement proposée comme alternative propre et efficace aux moteurs à combustion interne à essence. Le laboratoire d'Erickson dispose d'un bus à pile à combustible à hydrogène fonctionnel avec un réacteur embarqué qui reforme le méthanol pour produire de l'hydrogène pour ses piles à combustible. Nous évitons complètement d'avoir à stocker de l'hydrogène, dit Erickson.
Cependant, le reformage à bord consomme de l'espace et de l'énergie. En 1993, Prakash, Olah et une équipe du Jet Propulsion Laboratory de Pasadena, en Californie, ont conjointement inventé une pile à combustible fonctionnant directement avec un mélange de méthanol et d'eau. Les électrodes positive et négative de la cellule sont séparées par une membrane conçue pour permettre uniquement aux protons du méthanol de migrer d'une électrode à l'autre. Les premières versions de cette membrane, cependant, permettaient à une partie du méthanol de passer et de réagir avec l'oxygène à la deuxième électrode, ce qui réduisait la tension de la cellule et gaspillait de l'énergie sous forme de chaleur.
En 2001, Prakash et ses collègues ont développé une nouvelle membrane à la fois moins chère et plus résistante au croisement. Avec ce raffinement, la pile à combustible au méthanol direct donne un rendement de 35 pour cent, environ le double de celui d'un moteur à combustion interne, mais bien en deçà de son rendement théorique de 97 pour cent.
La pile à combustible au méthanol direct est actuellement trop chère pour être utilisée dans les voitures particulières. Son coût élevé provient principalement du platine et du ruthénium utilisés comme catalyseurs. Prakash et d'autres développent diverses approches pour réduire la quantité de catalyseur nécessaire : rendre le catalyseur plus actif, augmenter sa surface et utiliser des méthodes à l'échelle nanométrique. Lorsque cette technologie arrivera à maturité, Erickson pense qu'elle pourrait remplacer la pile à combustible à hydrogène. Une pile à combustible au méthanol direct peu coûteuse et à haute puissance est le Saint Graal, dit-il.