Matériaux macro-structurés pour la synthèse de méthanol à partir du biogaz par plasma non-thermique – MACROPLAS

La valorisation simultanée du CH4 et du CO2, constituants principaux du biogaz est d’un grand intérêt et s’inscrit pleinement dans la problématique du réchauffement climatique lié à l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre. Le biogaz obtenu par fermentation anaérobie de déchets agricoles est largement utilisé en Europe pour fournir localement de la chaleur ou de l’électricité livrée au réseau. Aussi, lorsque les besoins en énergie sont plus faibles il devient important de proposer d’autres débouchés au biogaz, telle que la production de composés chimiques (méthanol ou hydrocarbures) ce qui constitue une alternative à l’utilisation de carbone fossile. Toutefois le coût du procédé sur site requiert des avancées significatives et des procédés en rupture sont recherchés, parmi eux l’utilisation d’un plasma non-thermique (PNT) est de grand intérêt. Dans un plasma non-thermique le gaz est partiellement ionisé, il est constitué d’ions, de radicaux, d’électrons et d’espèces excitées. Il est particulièrement adapté au fonctionnement d’unités de relativement faible dimension et peut donc parfaitement être couplé à la méthanisation. Il présente en outre l’avantage d’opérer à pression atmosphérique et température ambiante en mode « on/off ».
La synthèse de méthanol sous décharge plasma a été mise en évidence à la fin des années 90, par conséquent la preuve de concept du projet existe. Cependant de nombreux défis sont à relever afin d’améliorer l’efficacité énergétique et d’augmenter la sélectivité en produit à haute valeur ajoutée, ce dernier aspect requiert de coupler plasma et catalyseur solide. De nombreuses études ont été menées mais le développement de nouveaux catalyseurs et la compréhension des interactions entre plasma et solide doit être approfondie. Il est en effet attendu qu’un catalyseur optimal sous décharge plasma n’est pas celui le plus performant en catalyse thermique classique puisque la présence d’un solide dans la zone plasma modifie la décharge et vice versa. Par ailleurs, l’utilisation de matériaux sous forme de poudre, utilisée conventionnement en catalyse, est mal adaptée au couplage plasma-catalyse car le volume gazeux (dans lequel le plasma est généré) se limite à l’espace entre les grains de catalyseur. C’est pourquoi, nous considérons que l’utilisation de matériaux mis en forme est nécessaire afin d’exploiter au maximum le couplage plasma-catalyse. Ceci s’appuie également sur des travaux ayant montré la bonne stabilité de la décharge dans des mousses ou des monolithes.
Dans ce projet les équipes de l’IRCER à Limoges, de PPrime et de l’IC2MP à Poitiers proposent de coordonner leurs travaux de recherche afin de proposer une voie de synthèse directe du méthanol à partir de méthane et de dioxyde de carbone en utilisant une voie originale couplant plasma non-thermique et mousses géopolymères. En effet, les matériaux géopolymères sont des candidats prometteurs pour cette application car ils sont synthétisés à température ambiante avec une porosité adaptable et une mise en forme facile.
L’ambition du projet repose non seulement sur l’utilisation de nouveau catalyseurs macro-poreux mis en forme mais également sur le développement de simulations numériques pour une meilleure compréhension de l’interaction plasma-catalyseur. Pour atteindre cet objectif, une approche pluridisciplinaire sera utilisée, mobilisant chimistes et physiciens. Les travaux de recherche seront développés autour de trois axes (i) la synthèse et la mise en forme de nouveaux matériaux géopolymères catalytiques (ii) l’évaluation des performances catalytiques et l’acquisition de données cinétiques (iii) une analyse approfondie par modélisation et simulation numériques des mécanismes physiques de base impliqués à l’interface plasma/catalyseur.