Catalyseur fait de nickel et de fer, à l'intérieur d'un tube de quartz, fixé par de la laine de quartz (la partie blanche). ©Image : 2022 EPFL / Alain Herzog

«Le biogaz naturel contient aussi des éléments contaminants, entre autres des composés soufrés, qui peuvent endommager les catalyseurs, indique Yosua Hanria, étudiant en Section de chimie et génie chimique de l’EPFL. Image : ©Image: 22 EPFL/A. Herzog

EPF : Mieux valoriser le biogaz grâce à des catalyseurs plus durables

(EPFL) Yosua Hanria a évalué la performance et la durabilité de catalyseurs destinés à valoriser le biogaz. Avec son projet de master, il participe ainsi au développement de futures piles à combustible qui permettront de transformer au mieux le biogaz en chaleur et électricité.


Lorsque des matières organiques comme les déchets verts ou les boues d’épuration fermentent, on obtient une énergie renouvelable essentiellement composée de méthane, le biogaz. Grâce à des piles à combustible à oxyde solide, en anglais Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), ce biogaz pourrait être utilisé pour produire de l’électricité et de la chaleur. Au stade de recherche, cette approche demande encore quelques développements avant de pouvoir être mise sur le marché.

La performance à long terme et la durabilité de ces catalyseurs
Au début du processus, le biogaz doit tout d’abord être transformé. Via un catalyseur, il est converti en hydrogène et monoxyde de carbone. Ce sont ces éléments qui vont servir de combustible. «Le problème, c’est que le biogaz naturel contient aussi des éléments contaminants, entre autres des composés soufrés, qui peuvent endommager les catalyseurs, indique Yosua Hanria, étudiant en Section de chimie et génie chimique à la Faculté des Sciences de Base de l’EPFL. Avec le temps, les catalyseurs peuvent devenir complètement inefficaces et inutilisables. Dans mon projet de master, j’ai étudié la performance à long terme et la durabilité de ces catalyseurs. J’ai également quantifié leur tolérance envers les contaminants et tenté d’expliquer les mécanismes de désactivation à l’œuvre.»

Une importante masse de données
Pour réaliser ses analyses, l’étudiant de 24 ans a dû développer un savoir-faire pratique. Il a fallu tester les catalyseurs dans différentes conditions, faire varier les taux de CO2 et H2O dans l’air par exemple, effectuer des spectroscopies de masse et des chromatographies gazeuses. Une expérience pouvant tourner entre 5 et 7 jours d’affilée, la quantité de données à traiter par la suite est considérable. «Au début, tout le travail de laboratoire et de traitement des données était nouveau pour moi, poursuit-il. Avec le temps et l’aide de mon superviseur, Cédric Frantz, j’ai appris à faire les choses plus efficacement. J’ai beaucoup apprécié sa disponibilité.»

Eliminer presque 100% du carbone de surface
À l’heure de l’écriture de ces lignes, le projet de master n’est pas encore terminé. Mais de premiers résultats indiquent qu’il est possible de décontaminer un type de catalyseur bimétallique composé de nickel et de fer. Dans un environnement sans sulfure, ils retrouvent presque entièrement leurs propriétés initiales. «Parfois, du carbone se forme à la surface du catalyseur et cela bloque ses sites actifs, explique Yosua Hanria. Nous avons réussi à éliminer presque 100% du carbone de surface par un cycle d'oxydation/réduction.»

Plus généralement, il existe de nombreux types de composés soufrés ou d'autres contaminants, et ils désactivent les catalyseurs de différentes manières. «Une solution possible à l'avenir serait de purifier ou de désulfurer le biogaz avant de l'utiliser, poursuit-il. Il est vrai que nous ne pouvons pas éliminer 100% des contaminants du biogaz, mais nous pouvons au moins le purifier pour qu'il atteigne la norme de concentration maximale autorisée de soufre, qui est généralement de 1 ppm (parties par million).»

Bilan positif
Des résultats qui réjouissent Yosua Hanria: «Avant de choisir ce projet, j’avais déjà un fort intérêt pour les catalyseurs ; c’était le thème de mon travail de bachelor durant mes études aux Pays-Bas. Dans ce projet de master, j’ai pu appliquer mes quelques connaissances du sujet et surtout les étoffer. J’ai aussi appris différentes techniques de laboratoire qui m'étaient encore inconnues.» Ce travail aura également été l’occasion de découvrir une nouvelle région de la Suisse. Yosua Hanria désirait vivre dans une autre ville que Lausanne. Le projet se déroulant dans le laboratoire de recherche Group of Energy materials (GEM) de l’EPFL Valais Wallis, l’étudiant d’origine indonésienne a donc déménagé à Sion. «Un autre grand point positif de ce projet a été de faire partie d’une équipe. J’ai apprécié le fait de contribuer au même but que l’ensemble des membres du laboratoire, à savoir, optimiser et créer des piles à combustibles plus durables pour le futur», conclut-il.


Partenaires
Réalisé au sein du laboratoire de recherche Group of Energy materials (GEM) de l’EPFL Valais Wallis à Sion dirigé par Jan Van Herle, ce travail fait parti du projet européen WASTE 2 WATTS (Unlocking unused bio-WASTE resources with loW cost cleAning and Thermal inTegration with Solid oxide fuel cells) ayant notamment reçu des fonds de la part du programme Horizon 2020. Partenaire du projet, le laboratoire du professeur Christoph Müller à l’ETHZ a développé les catalyseurs qui étaient ensuite envoyés à l’EPFL pour étude.


Référence WASTE 2 WATTS - Unlocking unused bio-WASTE resources with loW cost cleAning and Thermal inTegration with Solid oxide fuel cells >>

Texte: EPFL

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