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Une équipe de chercheurs du MIT a mis au point une approche prometteuse pour contrôler les émissions de méthane et les éliminer de l’air, en utilisant un type d’argile peu coûteux et abondant appelé zéolite. Sur cette image, la zéolite, représentée par la structure complexe au milieu, absorbe le méthane qui la traverse. Crédit : Image : Darius Siwek
Selon des chercheurs, grâce à un traitement spécial, des minéraux appelés zéolites – que l’on trouve couramment dans la litière pour chats – peuvent éliminer efficacement le gaz à effet de serre de l’air.
Le méthane est un gaz à effet de serre bien plus puissant que le dioxyde de carbone, et il a un effet prononcé dans les deux premières décennies de sa présence dans l’atmosphère. Lors des récentes négociations internationales sur le climat qui se sont déroulées à Glasgow, la réduction des émissions de méthane a été identifiée comme une priorité majeure dans les tentatives de freiner rapidement le changement climatique mondial.
Maintenant, une équipe de chercheurs à MIT a trouvé une approche prometteuse pour contrôler les émissions de méthane et le retirer de l’air, en utilisant un type d’argile peu coûteux et abondant appelé zéolite. Les résultats sont décrits dans la revue ACS Environment AuLes résultats sont décrits dans la revue ACS Environment Audans un article rédigé par la doctorante Rebecca Brenneis, le professeur associé Desiree Plata et deux autres personnes.
Bien que de nombreuses personnes associent le méthane atmosphérique au forage et à la fracturation du pétrole et du gaz naturel, ces sources ne représentent qu’environ 18 % des émissions mondiales de méthane, explique Mme Plata. La grande majorité du méthane émis provient de sources telles que l’agriculture itinérante sur brûlis, l’élevage laitier, les mines de charbon et de minerai, les zones humides et la fonte du pergélisol. “Une grande partie du méthane qui entre dans l’atmosphère provient de sources distribuées et diffuses. Nous avons donc commencé à réfléchir à la manière de le retirer de l’atmosphère”, explique-t-elle.
La réponse des chercheurs a été quelque chose de très bon marché – en fait, un type spécial de “terre”, ou d’argile. Ils ont utilisé des argiles zéolites, un matériau si peu coûteux qu’il est actuellement utilisé pour fabriquer de la litière pour chats. L’équipe a découvert que le traitement de la zéolite avec une petite quantité de cuivre rendait le matériau très efficace pour absorber le méthane de l’air, même à des concentrations extrêmement faibles.
Le système est simple dans son concept, bien que beaucoup de travail reste à faire sur les détails techniques. Lors des essais en laboratoire, de minuscules particules de zéolithe enrichie en cuivre, semblables à de la litière pour chat, ont été placées dans un tube de réaction, qui a ensuite été chauffé de l’extérieur tandis que le flux de gaz, dont la concentration en méthane allait de 2 parties par million à 2 %, circulait dans le tube. Cette gamme couvre tout ce qui peut exister dans l’atmosphère, jusqu’à des niveaux ininflammables qui ne peuvent être brûlés ou brûlés directement.
Selon M. Plata, le procédé présente plusieurs avantages par rapport à d’autres approches visant à éliminer le méthane de l’air. Les autres méthodes ont tendance à utiliser des catalyseurs coûteux, tels que le platine ou le palladium, à exiger des températures élevées, d’au moins 600 degrés. CelsiusLes dispositifs sont donc à la fois plus compliqués et plus risqués, car le méthane et l’oxygène sont hautement combustibles, seuls ou en combinaison.
“Les 600 degrés auxquels ils font fonctionner ces réacteurs rendent presque dangereuse la présence du méthane”, ainsi que de l’oxygène pur, explique M. Brenneis. “Ils résolvent le problème en créant simplement une situation où il y aura une explosion”. D’autres complications techniques découlent également des températures de fonctionnement élevées. Il n’est donc pas surprenant que ces systèmes n’aient pas été beaucoup utilisés.
En ce qui concerne le nouveau procédé, “je pense que nous sommes encore surpris par son efficacité”, déclare M. Plata, qui est professeur associé Gilbert W. Winslow en génie civil et environnemental. Le processus semble avoir son efficacité maximale à environ 300 degrés Celsius, ce qui nécessite beaucoup moins d’énergie pour le chauffage que les autres processus de capture du méthane. Il peut également fonctionner à des concentrations de méthane inférieures à celles des autres méthodes, même à de petites fractions de 1 %, que la plupart des méthodes ne peuvent pas éliminer, et il le fait dans l’air plutôt que dans l’oxygène pur, un avantage majeur pour un déploiement dans le monde réel.
La méthode convertit le méthane en dioxyde de carbone. Cela peut sembler une mauvaise chose, compte tenu des efforts déployés dans le monde entier pour lutter contre les émissions de dioxyde de carbone. Beaucoup de gens entendent le mot “dioxyde de carbone” et paniquent ; ils disent “c’est mauvais”, explique Mme Plata. Mais elle fait remarquer que le dioxyde de carbone a beaucoup moins d’impact dans l’environnement.dans l’atmosphère que le méthane, dont l’effet de serre est environ 80 fois plus fort au cours des 20 premières années, et environ 25 fois plus fort au cours du premier siècle. Cet effet découle du fait que le méthane se transforme naturellement en dioxyde de carbone au fil du temps dans l’atmosphère. En accélérant ce processus, cette méthode permettrait de réduire considérablement l’impact climatique à court terme, explique-t-elle. De plus, même en convertissant la moitié du méthane de l’atmosphère en dioxyde de carbone, les niveaux de ce dernier augmenteraient de moins d’une partie par million (environ 0,2 % du dioxyde de carbone atmosphérique actuel) tout en évitant environ 16 % du réchauffement radiatif total.
L’équipe a conclu que l’emplacement idéal pour de tels systèmes serait dans les endroits où il y a une source relativement concentrée de méthane, comme les granges laitières et les mines de charbon. Ces sources ont déjà tendance à être équipées de puissants systèmes de traitement de l’air, car une accumulation de méthane peut constituer un risque d’incendie, de santé et d’explosion. Pour surmonter les détails techniques en suspens, l’équipe vient d’obtenir une subvention de 2 millions de dollars du ministère américain de l’énergie afin de poursuivre le développement d’équipements spécifiques pour l’élimination du méthane dans ces types d’endroits.
“Le principal avantage de l’air minier est que nous en déplaçons beaucoup”, explique-t-elle. “Vous devez aspirer de l’air frais pour permettre aux mineurs de respirer, et pour réduire les risques d’explosion liés aux poches de méthane enrichies. Ainsi, les volumes d’air qui sont déplacés dans les mines sont énormes.” La concentration de méthane est trop faible pour s’enflammer, mais elle se trouve dans le point sensible des catalyseurs, dit-elle.
L’adaptation de la technologie à des sites spécifiques devrait être relativement simple. L’installation de laboratoire utilisée par l’équipe pour ses tests ne comportait “que quelques composants, et la technologie que l’on mettrait dans une étable pourrait également être assez simple”, explique Mme Plata. Cependant, de grands volumes de gaz ne s’écoulent pas aussi facilement à travers l’argile. La prochaine phase de la recherche se concentrera donc sur les moyens de structurer le matériau argileux dans une configuration hiérarchique et multi-échelle qui facilitera l’écoulement de l’air.
“Nous avons besoin de nouvelles technologies pour oxyder le méthane à des concentrations inférieures à celles utilisées dans les torchères et les oxydateurs thermiques”, déclare Rob Jackson, professeur de science des systèmes terrestres à l’université de Stanford, qui n’a pas participé à ces travaux. “Il n’existe pas aujourd’hui de technologie rentable pour oxyder le méthane à des concentrations inférieures à environ 2 000 parties par million.”
Jackson ajoute : “De nombreuses questions demeurent pour la mise à l’échelle de ce travail et de tous les travaux similaires : À quelle vitesse le catalyseur s’encrassera-t-il dans les conditions réelles ? Peut-on rapprocher les températures requises des conditions ambiantes ? Dans quelle mesure ces technologies pourront-elles être mises à l’échelle lors du traitement de grands volumes d’air ?”
L’un des principaux avantages potentiels de ce nouveau système est que le processus chimique impliqué libère de la chaleur. En oxydant le méthane de manière catalytique, le processus est en fait une forme de combustion sans flamme. Si la concentration de méthane est supérieure à 0,5 %, la chaleur libérée est supérieure à la chaleur utilisée pour démarrer le processus, et cette chaleur pourrait être utilisée pour produire de l’électricité.
Les calculs de l’équipe montrent que “dans les mines de charbon, vous pourriez potentiellement générer suffisamment de chaleur pour produire de l’électricité à l’échelle d’une centrale électrique, ce qui est remarquable car cela signifie que le dispositif pourrait s’autofinancer”, déclare Plata. “La plupart des solutions de capture de l’air coûtent très cher et ne seraient jamais rentables. Notre technologie pourrait un jour constituer un contre-exemple.”
Grâce à la nouvelle subvention, dit-elle, “au cours des 18 prochains mois, nous visons à démontrer une preuve de concept que cela peut fonctionner sur le terrain”, où les conditions peuvent être plus difficiles qu’en laboratoire. En fin de compte, ils espèrent pouvoir fabriquer des dispositifs qui seraient compatibles avec les systèmes de traitement de l’air existants et qui pourraient simplement être un composant supplémentaire ajouté sur place. “L’application pour les mines de charbon est censée être à un stade où l’on pourrait la remettre à un constructeur ou à un utilisateur commercial dans trois ans”, explique M. Plata.
Référence : “Atmospheric- and Low-Level Methane Abatement via an Earth-Abundant Catalyst” par Rebecca J. Brenneis, Eric P. Johnson, Wenbo Shi, et Desiree L. Plata, 29 décembre 2021,ACS Environnement Au.
DOI: 10.1021/acsenvironau.1c00034
En plus de Plata et de Brenneis, l’équipe comprenait Université de Yale Eric Johnson, étudiant en doctorat, et Wenbo Shi, ancien postdoc du MIT. Ces travaux ont été soutenus par les Gerstner Philanthropies, le Vanguard Charitable Trust, le Betty Moore Inventor Fellows Program et le Research Support Committee du MIT.
