L’électrolyse du dioxyde de carbone comme alternative au charbon

Le charbon dans la région rhénane n’est pas seulement un combustible important pour la production d’électricité. Il est également utilisé par l’industrie chimique pour produire d’importants produits chimiques de base. Mais au moment de l’élimination du charbon, ces substances devront être obtenues à partir d’autres sources renouvelables. Un exemple est le monoxyde de carbone, ou CO en abrégé, qui est nécessaire à la production de certains plastiques et de l’acide acétique.

Pour cela, les scientifiques du Forschungszentrum Jülich travaillent sur une technologie respectueuse du climat basée sur une énergie renouvelable. Utiliser du CO₂ électrolyse, le gaz à effet de serre CO₂ est converti directement en monoxyde de carbone. Les chercheurs ont maintenant surmonté un obstacle important et développé une pile de cellules évolutive pour des applications à grande échelle.

La recherche fait partie du projet de changement structurel iNEW, qui vise à promouvoir la croissance et la préservation des emplois dans la région rhénane en introduisant des processus basés sur les énergies renouvelables.

“Le CO est généralement produit sur place par l’industrie à grande échelle. Il est difficile à transporter car c’est un gaz toxique et hautement inflammable”, explique Maximilian Quentmeier, étudiant diplômé à l’Institut de recherche sur l’énergie et le climat de Jülich (IEK-9). . Généralement, le charbon est brûlé avec de l’oxygène en réserve pour produire le gaz.

Mais après l’élimination du charbon, d’autres processus seront nécessaires à la place. À l’avenir, le CO sera toujours nécessaire comme produit chimique de base. Entre autres, il est nécessaire à la production de polycarbonates et de polyuréthanes, qui sont utilisés, par exemple, pour fabriquer des verres de lunettes et des panneaux isolants.

Avec son superviseur Bernhard Schmid, Maximilian Quentmeier travaille sur un processus également connu sous le nom de CO₂-à-CO-électrolyse. L’approche utilise une électrode dite à diffusion gazeuse : une électrode poreuse qui est alimentée en CO₂ sur la face arrière et est adjacent à un électrolyte liquide ou solide sur la face avant. L’électrode relie les deux fluides et le courant électrique et garantit ainsi la production finale de monoxyde de carbone “vert”, CO.

Voie climatiquement négative possible

Le processus ne séduit pas seulement l’industrie chimique, mais contribue également à la protection du climat . ” En cas d’utilisation d’électricité produite à partir de sources renouvelables, le CO₂ les usines d’électrolyse fonctionneraient de manière climatiquement neutre . Si le dioxyde de carbone provient de l’atmosphère, par exemple par capture directe de l’air, ou du traitement du biogaz, la technologie est même potentiellement négative pour le climat », explique Bernhard Schmid.

Dans l’ensemble, la technologie pourrait aider à réduire activement le CO₂ concentration dans l’atmosphère. “En principe, les futurs plastiques renouvelables deviennent un puits de carbone similaire au bois”, explique Bernhard Schmid.

Étape franchie vers l’application pratique

Quentmeier et Schmid ont déjà franchi une étape importante sur la voie de la commercialisation. Ils ont réussi à transformer la cellule unique en un électrolyseur de type empilé en apportant de multiples améliorations et en remplaçant des composants, et l’ont testé dans divers tests de performance. Les résultats ont été publiés récemment dans ACS Génie Chimique Durable.

Dans une pile, les cellules sont compactées les unes sur les autres. Une pile de cellules plus petites est beaucoup moins chère à fabriquer par rapport à une grande cellule unique. “Il y a plusieurs aspects à prendre en compte lors de la conception d’une pile à partir d’une seule cellule. Par exemple, les cellules pour la réaction gazeuse ont plusieurs chambres qui ne sont généralement pas prises en charge dans la taille du laboratoire. Les cellules d’une pile doivent résister à la force de compression et à la restent perméables », explique Maximilian Quentmeier.

Sous l’hypothèse de conditions de processus réalistes, les chercheurs de Jülich ont optimisé la conception du champ d’écoulement de gaz et du collecteur de courant électrique à cette fin. Au lieu de l’électrolyte liquide habituel, un écoulement solide à travers un électrolyte polymère constitué d’une résine synthétique conductrice d’ions est utilisé comme élément de support, qui supporte structurellement l’espace électrolytique.

Grâce à une conception astucieuse de l’anode, les chercheurs ont également pu supprimer complètement la chambre d’électrolyte entre la membrane et l’anode. Pour l’empilement, les électrodes positive et négative, cathode et anode, des cellules adjacentes ont été remplacées par un seul composant (la plaque bipolaire) qui relie deux cellules.

Dans le montage expérimental actuel utilisant des composants modulaires dont l’efficacité n’est pas optimisée, la pile atteint une efficacité de 30 %. “Pour ce type de procédé, qui fonctionne déjà en dessous de 100°C, c’est déjà un résultat assez prometteur”, explique le professeur Rüdiger-A, directeur de l’institut. Eichel.

“Par rapport à la co-électrolyse à haute température, par exemple, la conception de l’usine est relativement simple et produit du CO pur au lieu du gaz de synthèse, ce qui simplifie encore le traitement pour de nombreuses applications. Ainsi, un approvisionnement décentralisé de la plate-forme chimique CO peut être fourni à l’industrie entreprises de la région rhénane, ce qui réduit les coûts de transport », déclare Rüdiger-A. Eichel. Les prochaines étapes sont d’autres développements et améliorations de l’efficacité pour amener la pile de cellules à l’étape finale de préparation pour la production de masse.