Méthane, une vaste ressource naturelle, est souvent éliminé par combustion, mais de nouvelles recherches menées par des scientifiques du MIT pourraient faciliter la capture de ce gaz pour l'utiliser comme carburant ou comme matière première chimique.

De nombreux puits de pétrole brûlent du méthane, le plus gros composant du gaz naturel, dans un processus appelé torchage, qui gaspille actuellement 150 milliards de mètres cubes de gaz chaque année et génère 400 millions de tonnes de dioxyde de carbone, faisant de ce processus un contributeur important au réchauffement climatique. Laisser le gaz s'échapper sans avoir été brûlé entraînerait des dommages encore plus importants pour l'environnement, cependant, 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 qu'en même temps le gaz naturel est présenté comme un important carburant de « pont » alors que le monde s'éloigne des combustibles fossiles, et est-elle la pièce maîtresse de la soi-disant révolution du gaz de schiste ? La réponse, comme dit le proverbe dans le domaine de l'immobilier, est simple :emplacement, emplacement, emplacement.

Les puits où le méthane est brûlé 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 générer de l'électricité ou produire des produits chimiques. Cependant, un équipement spécial est nécessaire pour refroidir et pressuriser le gaz méthane, et des conteneurs pressurisés spéciaux ou des canalisations sont nécessaires pour le transporter. Dans de nombreux endroits, comme les plates-formes pétrolières offshore ou les champs pétroliers éloignés des infrastructures nécessaires, ce n'est tout simplement pas économiquement viable.

Mais maintenant, Le professeur de chimie du MIT Yogesh Surendranath et trois collègues ont trouvé un moyen d'utiliser l'électricité, qui pourraient potentiellement provenir de sources renouvelables, 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 peut permettre une conversion du méthane à moindre coût sur des sites distants. Les résultats, décrit dans le journal ACS Science centrale , pourrait ouvrir la voie à l'utilisation d'un approvisionnement important en méthane qui serait autrement totalement gaspillé.

"Cette découverte ouvre les portes d'un nouveau paradigme de la chimie de conversion du méthane, " dit Jillian Dempsey, professeur adjoint de chimie à l'Université de Caroline du Nord, qui n'a pas participé à ce travail.

Les procédés industriels existants de conversion du méthane en formes chimiques intermédiaires liquides nécessitent des températures de fonctionnement très élevées et de grandes, équipements à forte intensité de capital. Au lieu, les chercheurs ont mis au point un processus électrochimique à basse température qui reconstituerait en continu un matériau catalyseur capable d'effectuer rapidement la conversion. Cette technologie pourrait potentiellement conduire à « un coût relativement faible, ajout sur site aux opérations de tête de puits existantes, " dit Surendranath, qui est le professeur adjoint de 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 à proximité du site, il dit. Ce processus électrochimique, il dit, pourrait fournir un moyen de faire la conversion du méthane - un processus également connu sous le nom de fonctionnalisation - "à distance, où se trouvent une grande partie des réserves de méthane « échouées ».

Déjà, il dit, "le méthane joue un rôle clé en tant que carburant de transition." Mais la quantité de ce carburant précieux qui vient d'être brûlé, il dit, "est assez stupéfiant." Cette grande quantité de gaz naturel gaspillé peut même être vue sur les images satellites de la Terre la nuit, dans des zones telles que les champs pétrolifères de Bakken dans le Dakota du Nord qui s'illuminent aussi brillamment que les grandes régions métropolitaines en raison du torchage. Sur la base des estimations de la Banque mondiale, le torchage mondial du méthane gaspille une quantité équivalente à environ un cinquième de la consommation de gaz naturel des États-Unis.

Lorsque ce gaz est brûlé au lieu d'être directement libéré, Surendranath dit, « vous réduisez les dommages environnementaux, mais vous gaspillez également de l'énergie. » Trouver un moyen de convertir le méthane à un coût suffisamment bas pour le rendre pratique pour les sites éloignés « a été un grand défi en chimie pendant des décennies, " dit-il. Ce qui rend la conversion du méthane si difficile, c'est que les liaisons carbone-hydrogène dans la molécule de méthane résistent à la rupture, et en même temps, il y a un risque d'exagérer la réaction et de se retrouver avec un processus incontrôlable qui détruit le produit final souhaité.

Les catalyseurs qui pourraient faire le travail sont étudiés depuis de nombreuses années, mais ils nécessitent généralement des agents chimiques agressifs qui limitent la vitesse de la réaction, il dit. La nouvelle avancée clé était l'ajout d'une force motrice électrique qui pouvait être réglée avec précision pour générer des catalyseurs plus puissants avec des taux de réaction très élevés. « Comme nous utilisons l'électricité pour piloter le processus, cela ouvre de nouvelles opportunités pour accélérer le processus, sélectif, et portable que les méthodes existantes, " dit Surendranath. Et en plus, "nous pouvons accéder à des catalyseurs que personne n'a observés auparavant, parce que nous les générons d'une nouvelle manière."

Le résultat de la réaction est une paire de produits chimiques liquides, bisulfate de méthyle et acide méthanesulfonique, qui peut être traité ultérieurement pour produire du méthanol liquide, un intermédiaire chimique précieux pour les carburants, plastiques, et pharmaceutiques. Les étapes de traitement supplémentaires nécessaires à la fabrication 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 démarque vraiment car il ne rapporte pas seulement un nouveau système de fonctionnalisation catalytique sélective du méthane en précurseurs de méthanol, mais il comprend un aperçu détaillé de la façon dont le système est capable d'effectuer cette chimie sélective. L'information mécaniste sera déterminante pour traduire cette découverte passionnante en une technologie industrielle, " dit Dempsey.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.