Le carbone résiduel provenant des fermes, des eaux usées et d’autres sources peut être transformé plus facilement en combustibles biologiques de haute qualité grâce à une nouvelle cellule à flux développée par le PNNL. Dans cette animation, la cellule d’écoulement reçoit du biobrut et des eaux usées provenant d’un processus de liquéfaction hydrothermique. Elle élimine ensuite le carbone des eaux usées, ce qui permet de réutiliser l’eau propre. Le système génère même de l’hydrogène, un carburant précieux qui peut être capturé, ce qui réduit le coût de l’ensemble de l’opération. Crédit : Sara Levine Pacific Northwest National Laboratory
Un procédé en attente de brevet élimine les contaminants des biocarburants des eaux usées à l’aide d’un procédé sans additif qui génère de l’hydrogène pour alimenter son propre fonctionnement.
Le Saint Graal des chercheurs en biocarburants est de créer un processus autonome qui convertit les déchets provenant des eaux usées, des cultures alimentaires, des algues et d’autres sources de carbone renouvelables en carburants tout en empêchant le carbone résiduel de se retrouver dans notre environnement et dans l’eau. Bien que de nombreux progrès aient été réalisés dans la transformation de ces déchets en carburant utilisable, il s’est avéré difficile de boucler le cycle avec une énergie propre.
Une équipe de chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du ministère de l’énergie a mis au point un système qui permet d’y parvenir. Le système de récupération de carburant par oxydation électrocatalytique du PNNL convertit ce que l’on pensait être des “déchets” de carbone dilués et irrécupérables en produits chimiques précieux, tout en produisant de l’hydrogène utile. Grâce à l’utilisation d’énergie renouvelable, le processus est neutre en carbone, voire même négatif.
La clé du succès est un catalyseur élégamment conçu qui combine des milliards de particules métalliques infiniment petites et un courant électrique pour accélérer la conversion énergétique à température et pression ambiantes.
Juan A. Lopez-Ruiz, ingénieur chimiste au PNNL, a dirigé une équipe de recherche qui a récemment mis au point un nouveau réacteur à cellules de flux qui facilite le chemin vers le carburant renouvelable. Crédit : Andrea Starr Pacific Northwest National Laboratory
” Les méthodes actuellement utilisées pour traiter le biobrut nécessitent de l’hydrogène à haute pression, qui est généralement généré à partir de gaz naturel “, a déclaré Juan A. Lopez-Ruiz, ingénieur chimiste au PNNL et chef de projet. “Notre système peut générer cet hydrogène lui-même tout en traitant simultanément les eaux usées dans des conditions proches de l’atmosphère en utilisant l’électricité renouvelable excédentaire, ce qui le rend peu coûteux à exploiter et potentiellement neutre en carbone.”
Un système affamé
Le groupe de recherche a testé le système en laboratoire en utilisant un échantillon d’eaux usées provenant d’un processus de conversion de la biomasse à l’échelle industrielle pendant plus de 200 heures de fonctionnement continu, sans perte d’efficacité du processus. La seule contrainte était que l’échantillon d’eau usée de l’équipe de recherche était épuisé.
“C’est un système affamé”, a déclaré M. Lopez-Ruiz. “Le taux de réaction du processus est proportionnel à la quantité de carbone résiduel que vous essayez de convertir. Il pourrait fonctionner indéfiniment si vous aviez de l’eau usée pour continuer à le faire tourner.”
Selon M. Lopez-Ruiz, ce système en attente de brevet résout plusieurs problèmes qui ont entravé les efforts visant à faire de la biomasse une source d’énergie renouvelable économiquement viable.
“Nous savons comment transformer la biomasse en carburant”, a déclaré M. Lopez-Ruiz. “Mais nous avons encore du mal à rendre le processus efficace sur le plan énergétique, économique et durable sur le plan environnemental, surtout à petite échelle. Ce système fonctionne à l’électricité, qui peut provenir de sources renouvelables. Et il génère sa propre chaleur et son propre carburant pour le faire fonctionner. Il a le potentiel de compléter le cycle de récupération de l’énergie.”
“Alors que le réseau électrique commence à modifier ses sources d’énergie pour intégrer davantage de sources renouvelables, ajoute-t-il, il est de plus en plus logique de compter sur l’électricité pour répondre à nos besoins énergétiques. Nous avons mis au point un procédé qui utilise l’électricité pour alimenter la conversion des composés de carbone dans les eaux usées en produits utiles tout en éliminant les impuretés comme les composés d’azote et de soufre.”
Combler le fossé énergétique
La liquéfaction hydrothermique (HTL) est une méthode très efficace pour convertir le carbone des déchets humides en combustible. Ce processus, en substance, raccourcit le temps nécessaire à la production de combustibles fossiles naturels en transformant la biomasse humide en huile biobrut dense en énergie en quelques heures plutôt qu’en millénaires. Cependant, le processus est incomplet dans le sens où les eaux usées générées dans le cadre du processus nécessitent un traitement supplémentaire afin d’obtenir une valeur ajoutée de ce qui serait autrement un passif.
“Nous avons réalisé que la même réaction (électro)chimique qui éliminait les molécules organiques des eaux usées pouvait également être utilisée pour…de valoriser directement le biobrut à température ambiante et à la pression atmosphérique également”, a déclaré M. Lopez-Ruiz.
C’est là que le nouveau procédé du PNNL entre en jeu. Le biobrut non raffiné et les eaux usées peuvent être introduits dans le système directement à partir d’un flux de sortie HTL ou d’autres déchets humides. Le procédé PNNL consiste en ce que l’on appelle une cellule d’écoulement où les eaux usées et le biobrut traversent la cellule et rencontrent un environnement chargé créé par un courant électrique. La cellule elle-même est divisée en deux par une membrane.
Un nouveau bioréacteur à cellules en flux, en attente de brevet, mis au point au Pacific Northwest National Laboratory, peut purifier les eaux usées (ici) et générer de l’hydrogène pour aider à alimenter le processus. Crédit : Andrea Starr Pacific Northwest National Laboratory
La moitié chargée positivement, appelée anode, contient une fine feuille de titane recouverte de nanoparticules d’oxyde de ruthénium. Le flux de déchets y subit une conversion catalytique, le biobrut étant transformé en huiles et en paraffines utiles. Simultanément, les contaminants solubles dans l’eau, tels que les composés contenant de l’oxygène et de l’azote, subissent une conversion chimique qui les transforme en azote et en oxygène gazeux, composants normaux de l’atmosphère. Les eaux usées qui sortent du système, débarrassées des contaminants, peuvent ensuite être réinjectées dans le processus HTL.
Sur la moitié chargée négativement de la cellule à flux, appelée cathode, une réaction différente a lieu qui peut soit hydrogéner des molécules organiques (comme celles du biobrut traité), soit générer de l’hydrogène gazeux – une source d’énergie émergente que les développeurs de cellules à flux considèrent comme une source potentielle de carburant.
“Nous considérons le sous-produit d’hydrogène généré par le processus comme un avantage net. Lorsqu’il est collecté et introduit dans le système en tant que combustible, il pourrait faire fonctionner le système avec moins d’intrants énergétiques, ce qui le rendrait potentiellement plus économique et neutre en carbone que les opérations actuelles de conversion de la biomasse”, a déclaré M. Lopez-Ruiz.
La rapidité de la conversion chimique offre un avantage supplémentaire au système.
“Nous avons comparé les taux, c’est-à-dire la vitesse à laquelle nous pouvons éliminer l’oxygène des molécules organiques avec notre système, par opposition à l’élimination thermique, qui consomme beaucoup d’énergie “, a déclaré Lopez-Ruiz. “Nous avons obtenu des taux de conversion plus de 100 fois plus élevés avec le système électrochimique dans des conditions atmosphériques qu’avec le système thermique à des pressions et températures d’hydrogène intermédiaires.” Ces résultats ont été publiés dans la revue Journal of Applied Catalysis B : Environmental en novembre 2020.
Réduire l’utilisation des métaux de terres rares
L’un des inconvénients majeurs de nombreuses technologies commerciales est leur dépendance à l’égard des métaux des terres rares, parfois appelés métaux du groupe du platine. La chaîne d’approvisionnement mondiale de ces éléments repose principalement sur des technologies d’extraction obsolètes qui consomment beaucoup d’énergie, utilisent d’énormes quantités d’eau et génèrent des déchets dangereux. Selon le ministère de l’énergie, qui a fait de l’approvisionnement national une priorité absolue, les importations représentent 100 % de l’approvisionnement des États-Unis pour 14 des 35 matériaux critiques et plus de la moitié pour 17 autres.
Le système résout ce problème en incorporant une méthode unique de dépôt de nanoparticules des métaux responsables de la conversion chimique. Ces particules ont une grande surface, ce qui nécessite moins de métal pour faire son travail. “Nous avons constaté que l’utilisation de nanoparticules métalliques plutôt que de films et de feuilles métalliques minces réduisait la teneur en métal et améliorait les performances électrochimiques”, a déclaré M. Lopez-Ruiz. Ces résultats ont été récemment publiés dans la revue Journal of Applied Catalysis B : Environmental. Le nouveau catalyseur nécessite 1 000 fois moins de métal précieux, dans ce cas le ruthénium, que ce qui est généralement nécessaire pour des processus similaires. Plus précisément, le réacteur à flux à l’échelle du laboratoire utilise une électrode contenant environ 5 à 15 milligrammes de ruthénium, contre environ 10 grammes de platine pour un réacteur comparable.
A propos de ces composés de carbone inutiles
L’équipe de recherche a également montré que le procédé PNNL peut traiter de petits composés de carbone solubles dans l’eau – des sous-produits que l’on trouve dans le flux d’eaux usées des procédés HTL actuels – ainsi que de nombreux autres procédés industriels. Il y a environ une douzaine de ces petits composés de carbone diablement difficiles à traiter dans les flux d’eaux usées à de faibles concentrations. Jusqu’à présent, il n’existait aucune technologie rentable pour les traiter. Ces composés carbonés à chaîne courte, comme l’acide propanoïque acid and butanoic acid, undergo transformation to fuels, such as ethane, propane, hexane, and hydrogen, during the newly developed process.
A preliminary cost analysis showed the electricity cost required to run the system can be fully offset by running the operation at low voltage, using the propane or butane to generate heat and selling the excess hydrogen generated. These findings were published in the July 2020 issue of the Journal of Applied Electrochemistry.
Battelle, which manages and operates PNNL for the federal government, has applied for a United States patent for the electrochemical process. CogniTek Management Systems (CogniTek), a global company that brings energy products and technology solutions to market, has licensed the technology from PNNL. CogniTek will be integrating the PNNL wastewater treatment technology into patented biomass processing systems that CogniTek and its strategic partners are developing and commercializing. Their goal is the production of biofuels, such as biodiesel and bio jet fuels. In addition to the commercialization agreement, PNNL and CogniTek will collaborate to scale up the wastewater treatment reactor from laboratory scale to demonstration scale.
“We at CogniTek are excited by the opportunity to extend the PNNL technology, in combination with our core patents and patent pending decarbonization technology,” said CogniTek Chief Executive Officer Michael Gurin.
The technology, dubbed Clean Sustainable Electrochemical Treatment—or CleanSET, is available for license by other companies or municipalities interested in developing it for industry-specific uses in municipal wastewater treatment plants, dairy farms, breweries, chemical manufacturers and food and beverage producers. To learn more about how this technology works, or to schedule a meeting with a technology commercialization manager, visit PNNL’s Available Technologies site.
In addition to Lopez-Ruiz, the PNNL research team included Yang Qiu, Evan Andrews, Oliver Gutiérrez and Jamie Holladay. The research was supported by the Department of Energy’s Advanced Manufacturing Office and the Chemical Transformation Initiative, a Laboratory Directed Research and Development Program at PNNL. Portions of the research were conducted as part of a Cooperative Research and Development Agreement with Southern California Gas Company.
References: “Anodic electrocatalytic conversion of carboxylic acids on thin films of RuO2, IrO2, and Pt” by Yang Qiu, Juan A. Lopez-Ruiz, Udishnu Sanyal, Evan Andrews, Oliver Y. Gutiérrez and Jamie D. Holladay, 25 June 2020, Applied Catalysis B: Environmental.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2020.119277
“Electrocatalytic valorization into H2 and hydrocarbons of an aqueous stream derived from hydrothermal liquefaction” by Juan A. Lopez-Ruiz, Yang Qiu, Evan Andrews, Oliver Y. Gutiérrez and Jamie D. Holladay, 9 July 2020, Journal of Applied Electrochemistry.
DOI: 10.1007/s10800-020-01452-x
“Electrocatalytic decarboxylation of carboxylic acids over RuO2 and Pt nanoparticles” by Yang Qiu, Juan A. Lopez-Ruiza, Guomin Zhu, Mark H. Engelhard, Oliver Y. Gutiérrez and Jamie D. Holladay, 1 January 2022, Applied Catalysis B: Environmental.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.121060
