Une nouvelle façon d’exploiter le méthane gaspillé et le transformer en méthanol

L’approche mise au point au MIT pourrait aider à réduire le « brûlage à la torche » inutile des gaz à effet de serre puissants.

Le méthane, une vaste ressource naturelle, est souvent éliminé par la combustion, mais de nouvelles recherches menées par des scientifiques du MIT pourraient faciliter la capture de ce gaz pour en faire un combustible ou une matière première chimique.

De nombreux puits de pétrole brûlent le méthane – la plus grande composante du gaz naturel – dans un processus appelé « brûlage à la torche », qui gaspille actuellement 150 milliards de mètres cubes de gaz chaque année et génère 400 millions de tonnes de dioxyde de carbone, ce qui en fait un contributeur important au réchauffement de la planète. Laisser le gaz s’échapper sans le brûler entraînerait toutefois des dommages encore plus graves pour l’environnement, car le méthane est un gaz à effet de serre encore plus puissant que le dioxyde de carbone.

Pourquoi tout ce méthane est-il gaspillé, alors que le gaz naturel est en même temps considéré comme un combustible de « charnière » important alors que le monde s’éloigne des combustibles fossiles et qu’il est au centre de la révolution du gaz de schiste?
La réponse, comme le dit l’adage dans le domaine immobilier, est simple: emplacement, localisation, localisation.

Les puits où le méthane est brûlé à la torche sont principalement exploités pour leur pétrole; le méthane est simplement un sous-produit. Dans les endroits où il est commode de le faire, le méthane est capté et utilisé pour produire de l’électricité ou des produits chimiques. Cependant, un équipement spécial est nécessaire pour refroidir et pressuriser le gaz méthane, et des conteneurs ou des pipelines sous pression spéciaux sont nécessaires pour le transporter. Dans de nombreux endroits, comme les plateformes pétrolières offshore ou les champs de pétrole éloignés, loin des infrastructures nécessaires, ce n’est tout simplement pas économiquement viable.

Mais aujourd’hui, Yogesh Surendranath, professeur de chimie au MIT, et trois collègues ont trouvé un moyen d’utiliser l’électricité, qui pourrait provenir de sources renouvelables, pour convertir le méthane en dérivés du méthanol, un liquide qui peut être transformé en carburant automobile ou utilisé comme précurseur de divers produits chimiques. Cette nouvelle méthode pourrait permettre une conversion moins coûteuse du méthane dans les sites éloignés. Les résultats, décrits dans la revue ACS Central Science, pourraient ouvrir la voie à l’utilisation d’un important approvisionnement en méthane qui, autrement, serait totalement gaspillé.


« Cette découverte ouvre la voie à un nouveau paradigme de la chimie de conversion du méthane « , déclare Jillian Dempsey, professeure adjointe de chimie à l’Université de Caroline du Nord, qui n’ a pas participé à ces travaux.

Les procédés industriels actuels de conversion du méthane en produits chimiques intermédiaires liquides nécessitent des températures d’exploitation très élevées et des équipements de grande taille et à forte intensité capitalistique. Les chercheurs ont plutôt mis au point un procédé électrochimique à basse température qui réapprovisionnerait en permanence un catalyseur capable de procéder rapidement à la conversion.

Cette technologie pourrait potentiellement mener à « un ajout relativement peu coûteux, sur place, aux activités d’exploitation des têtes de puits existantes », affirme M. Surendranath, qui est le professeur adjoint en développement de carrière Paul M. Cook au département de chimie du MIT.

« L’électricité pour alimenter de tels systèmes pourrait provenir d’éoliennes ou de panneaux solaires situés à proximité du site », dit-il. Ce procédé électrochimique, dit-il, pourrait fournir un moyen de procéder à la conversion du méthane – un procédé aussi connu sous le nom de fonctionnalisation – « à distance, là où se trouvent de nombreuses réserves de méthane »  bouclées  « .
« Mais la quantité de ce combustible précieux qui vient d’être brûlé à la torche est assez stupéfiante, » dit-il, et l’on peut même voir cette quantité considérable de gaz naturel gaspillé sur les images satellitaires de la Terre la nuit, dans des régions comme les champs pétrolifères de Bakken, au Dakota du Nord, qui s’illuminent aussi vivement que les grandes régions métropolitaines en raison du brûlage à la torche. Selon les estimations de la Banque mondiale, le brûlage à la torche du méthane à l’échelle mondiale représente environ un cinquième de la consommation de gaz naturel aux États-Unis.

« Lorsque ce gaz est brûlé au chalumeau plutôt que directement libéré, dit M. Surendranath, » on réduit les dommages environnementaux, mais on gaspille également l’énergie « . Ce qui rend la conversion du méthane si difficile, c’est que les liaisons carbone-hydrogène dans la molécule de méthane résistent au bris, et en même temps, il y a un risque de surmener la réaction et de finir par un processus d’emballement qui détruit le produit final désiré.

« Les catalyseurs qui pourraient faire le travail ont été étudiés pendant de nombreuses années, mais ils requièrent généralement des agents chimiques agressifs qui limitent la vitesse de réaction », dit-il. La nouvelle avancée clé était l’ajout d’une force motrice électrique qui pouvait être réglée précisément pour générer des catalyseurs plus puissants avec des taux de réaction très élevés. « Puisque nous utilisons l’électricité pour piloter le processus, cela ouvre de nouvelles possibilités de rendre le processus plus rapide, sélectif et portable que les méthodes existantes « , explique M.  Surendranath. Et en plus, »nous avons accès à des catalyseurs que personne n’ a jamais observés auparavant, parce que nous les produisons d’une nouvelle façon. »

Le résultat de la réaction est un couple de produits chimiques liquides, le bisulfate de méthyle et l’acide méthanesulfonique, qui peuvent être transformés pour produire du méthanol liquide, un intermédiaire chimique précieux pour les carburants, les plastiques et les produits pharmaceutiques. Les étapes de traitement supplémentaires nécessaires pour produire du méthanol restent très difficiles et doivent être perfectionnées avant que cette technologie puisse être mise en œuvre à l’échelle industrielle.

Les chercheurs affinent activement leur méthode pour surmonter ces obstacles technologiques.
Ce travail se distingue par le fait qu’il rapporte non seulement un nouveau système de fonctionnalisation catalytique sélective du méthane en précurseurs de méthanol, mais aussi une vision détaillée de la manière dont le système est capable d’effectuer cette chimie sélective. L’information mécaniste sera déterminante pour traduire cette découverte passionnante en une technologie industrielle « , affirme M. Dempsey.

L’équipe de recherche comprenait Matthew O’Reilly, post-doctorant, et Rebecca Soyoung Kim et Seokjoon Oh, tous du département de chimie du MIT. Les travaux ont été soutenus par la société italienne d’énergie Eni S. p. A. par le biais de l’initiative MIT Energy Initiative.

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