Des membranes et des catalyseurs innovants réduisent les émissions de gaz à effet de serre dans l’industrie chimique
La production de C2H4 dépasse, en quantité, celle de n’importe quel autre composé organique, une grande partie étant destinée à la fabrication de polyéthylène, le plastique le plus utilisé aujourd’hui. En Europe, la production de C2H4 s’effectue par craquage de naphte, mais cette technique génère de grandes quantités de dioxyde de carbone (CO2) en tant que sous-produit. Une façon de réduire la production de CO2 consiste à produire le C2H4 à partir de méthane (CH4), qui est plus facilement disponible, moins polluant et moins cher que le naphte. Toutefois, le processus de conversion du méthane en C2H4, connu sous le nom de couplage oxydant du méthane (en anglais: oxidative coupling of methane – OCM), n’est pas commercialement viable en raison de ses faibles rendements. Le projet MEMERE, financé par l’UE, a relevé ce défi en concevant et en testant un nouveau réacteur à membrane permettant de convertir directement du CH4 en C2H4 grâce à un processus intégré de séparation gazeuse. Cette initiative avait pour objectif de produire de l’éthylène avec un meilleur rendement, tout en réduisant les coûts de production, l’intensité énergétique et les émissions par rapport aux technologies de pointe actuelles. Les chercheurs ont mis au point de nouvelles membranes sélectives vis-à-vis de l’oxygène, peu coûteuses mais plus résistantes, permettant une séparation gazeuse efficace et une alimentation en oxygène distribuée dans le réacteur. «L’objectif consiste à obtenir une preuve de concept solide et à valider la technologie au niveau 5 en termes de maturité, en concevant, construisant, exploitant et validant un module prototype basé sur la technologie OCM qui sera intégré dans une mini-usine transportée dans un conteneur», indique Fausto Gallucci, coordinateur du projet.
Une nouvelle approche
Les partenaires du projet se sont concentrés sur la séparation gazeuse à l’aide de membranes à conduction ionique et électronique mixte (MIEC) intégrées dans un réacteur fonctionnant à haute température pour l’OCM. «En combinant différentes étapes du processus au sein d’une seule unité multifonctionnelle, nous espérions obtenir des rendements bien plus élevés qu’avec les réacteurs classiques», explique Fausto Gallucci. L’OCM fait intervenir la séparation de l’oxygène, qui est introduit dans le réacteur par des membranes céramiques, tandis que la réaction se produit sur un catalyseur capable de fonctionner avec une faible concentration d’oxygène. Cette combinaison donne des rendements plus élevés et se traduit par des coûts plus faibles par rapport aux technologies standard. Le consortium a donc réussi à développer des catalyseurs plus stables dans les conditions de la réaction, en particulier à faible concentration d’oxygène, et à créer des membranes utilisables dans des conditions réactives. «Nous avons mis au point des membranes poreuses en oxyde de magnésium pour l’alimentation en oxygène à haute température. Ces membranes ont été passées à l’échelle supérieure après avoir fait l’objet de tests. En parallèle, nous avons développé des membranes à deux et trois phases pour la séparation de l’oxygène dans les réacteurs contenant une grande quantité de CO2, un véritable poison pour la plupart des membranes à O2 actuellement disponibles», note Fausto Gallucci.
De multiples avantages
MEMERE a produit avec succès une grande quantité de nouvelles connaissances, allant de la science fondamentale à la techno-économie et à l’analyse du cycle de vie. Fausto Gallucci explique: «Parmi nos résultats les plus enthousiasmants, il y a la manière dont nous avons développé de nouvelles technologies pour les membranes et les catalyseurs imprimés en 3D. Dans le même temps, un grand nombre d’étudiants en doctorat et en maîtrise ont pu travailler directement sur cette technologie en étroite collaboration avec l’industrie.» Améliorer l’efficacité de l’industrie chimique aidera l’Europe à devenir plus compétitive sur le marché mondial, ce qui lui permettra d’investir dans de nouvelles technologies plus durables et de réduire les émissions de gaz à effet de serre. En outre, le projet profitera à la société, car de nouveaux emplois seront créés dans les domaines des membranes et des catalyseurs ainsi que dans d’autres secteurs industriels. «La technologie MEMERE peut également être utilisée à petite ou moyenne échelle pour convertir le CH4 produit dans des régions éloignées où les technologies classiques ne peuvent pas être exploitées actuellement», conclut Fausto Gallucci.
Mots‑clés
MEMERE, membrane, réacteur, méthane (CH4), catalyseur, dioxyde de carbone, couplage oxydant du méthane (OCM)