L’augmentation de la demande d’énergie dans le monde s’accompagne d’une augmentation de notre consommation de combustibles fossiles. Il en résulte une augmentation massive des émissions de gaz à effet de serre, avec des effets environnementaux très négatifs. Pour y remédier, les scientifiques ont cherché des sources d’énergie alternatives et renouvelables.
L’un des principaux candidats est l’hydrogène produit à partir des déchets organiques, ou “biomasse”, des plantes et des animaux. La biomasse absorbe, élimine et stocke également le CO2 de l’atmosphère, tandis que la décomposition de la biomasse peut également nous amener à des émissions négatives ou à l’élimination des gaz à effet de serre. La décomposition de la biomasse peut également nous permettre de réduire les émissions ou d’éliminer les gaz à effet de serre. Mais même si la biomasse ouvre la voie, la question de la meilleure façon de maximiser sa conversion en énergie reste posée.
Gazéification de la biomasse
Il existe actuellement deux méthodes principales pour convertir la biomasse en énergie : la gazéification et la pyrolyse. La gazéification soumet la biomasse solide ou liquide à des températures d’environ 1000°C, la convertissant en gaz et en composés solides ; le gaz est appelé “syngaz” tandis que le solide est “biochar”.
Le gaz de synthèse est un mélange d’hydrogène, de méthane, de monoxyde de carbone et d’autres hydrocarbures, et c’est ce qui est utilisé comme “biocarburant” pour produire de l’énergie. D’autre part, le biochar est souvent considéré comme un déchet de carbone solide, bien qu’il puisse être utilisé dans des applications agricoles.
Un résumé graphique de la méthode de photo-pyrolyse par lampe à xénon. Crédit : EPFL
Pyrolyse de la biomasse
L’autre méthode, la pyrolyse de la biomasse, est similaire à la gazéification sauf que la biomasse est chauffée à des températures plus basses, entre 400 et 800°C et à des pressions allant jusqu’à 5 bars dans une atmosphère inerte. Il existe trois types de pyrolyse : la pyrolyse classique, la pyrolyse rapide et la pyrolyse flash. Parmi les trois, les deux premiers prennent le plus de temps et produisent le plus de charbon.
La pyrolyse flash a lieu à 600°C, produit le plus de gaz de synthèse et a le temps de séjour le plus court. Malheureusement, elle nécessite également des réacteurs spécialisés capables de supporter des températures et des pressions élevées.
La fente de la banane pour la production d’hydrogène
Aujourd’hui, des scientifiques dirigés par le professeur Hubert Girault de la Faculté des sciences de base de l’EPFL ont mis au point une nouvelle méthode de photo-pyrolyse de la biomasse qui produit non seulement un gaz de synthèse précieux, mais aussi un biochar de carbone solide qui peut être réutilisé dans d’autres applications. Ces travaux sont publiés dans Chemical Science.
La méthode réalise une pyrolyse éclair à l’aide d’une lampe Xenon, couramment utilisée pour le durcissement des encres métalliques pour l’électronique imprimée. Ces dernières années, le groupe de Girault a également utilisé le système à d’autres fins, comme la synthèse de nanoparticules.
La lumière flash blanche de la lampe fournit une source d’énergie de grande puissance ainsi que de courtes impulsions qui favorisent les réactions chimiques photo-thermiques. L’idée est de générer un puissant tir de lumière flash, que la biomasse absorbe et qui déclenche instantanément une conversion photothermique de la biomasse en gaz de synthèse et en biochar.
Cette technique de flashage a été utilisée sur différentes sources de biomasse : pelures de banane, épis de maïs, écorces d’orange, grains de café et coquilles de noix de coco, qui ont toutes été initialement séchées à 105°C pendant 24 heures, puis broyées et tamisées pour obtenir une fine poudre. La poudre a ensuite été placée dans un réacteur en acier inoxydable avec une fenêtre en verre standard, à pression ambiante et sous atmosphère inerte. La lampe au xénon clignote, et l’ensemble du processus de conversion se termine en quelques millisecondes.
“Chaque kg de biomasse séchée peut générer environ 100 litres d’hydrogène et 330 g de biochar, ce qui représente jusqu’à 33 % en poids de la masse initiale de la peau de banane séchée”, explique Bhawna Nagar, qui a travaillé sur l’étude. La méthode a également donné un résultat énergétique positif calculé de 4,09 MJ par kg de biomasse séchée.
Ce qui est remarquable dans cette méthode, c’est que ses deux produits finaux, l’hydrogène et le biochar à carbone solide, sont précieux. L’hydrogène peut être utilisé comme carburant vert, tandis que le biochar de carbone peut être enterré et servir d’engrais ou être utilisé pour fabriquer des électrodes conductrices.
“La pertinence de notre travail est encore accrue par le fait que nous capturons indirectement le CO2dans l’atmosphère depuis des années”, explique M. Nagar. “Nous avons converti cela en produits finis utiles en un rien de temps en utilisant une lampe flash au xénon.”
Référence : “Banana split : Biomass splitting with flash light irradiation” par Wanderson O. Silva, Bhawna Nagar, Mathieu Soutrenon et Hubert H. Girault, 25 janvier 2022, Science chimique.
DOI : 10.1039/d1sc06322g
Autres contributeurs : Institut d’ingénierie des systèmes, HES-SOValais-Wallis
Financement : Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS)
