Le Brésil

La technologie brésilienne veut transformer les déchets de la production d’éthanol en hydrogène vert – Jornal da USP

La recherche sur la réutilisation de la vinasse est l’une des initiatives du nouveau laboratoire qui développera des réacteurs électrochimiques destinés à la réalité nationale

Réutiliser la vinasse est l’objectif du nouveau Laboratoire Piles à Combustible qui intègre le Centre de Recherche pour l’Innovation sur les Gaz à Effet de Serre (RCGI) – Photo : Finep/MCTI

La vinasse est un résidu polluant généré par la production d’éthanol. Lorsqu’il est transformé, il est généralement utilisé comme engrais dans la fertirrigation des cultures, en particulier la canne à sucre, car il est riche en potassium. « Le transport de ces résidus vers les plantations est un processus coûteux et à forte intensité de main-d’œuvre pour les usines. Sans compter que, si elle est mal appliquée, la vinasse peut endommager la plantation et le sol, en plus d’atteindre les nappes phréatiques. Il est possible d’améliorer ce processus », explique Thiago Lopes, professeur à l’École polytechnique (Poli) de l’USP.

A la tête du nouveau Laboratoire de Piles à Combustible, situé à Poli et qui intègre le Centre de Recherche pour l’Innovation sur les Gaz à Effet de Serre (RCGI), financé par Shell do Brasil et la Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), Lopes entend y développer un réacteur électrolytique adapté à la réalité de l’industrie nationale du sucre et de l’alcool. « La vinasse a 95 % d’eau dans sa composition. L’idée est qu’à travers ce réacteur on puisse casser des molécules d’eau pour générer de l’oxygène et de l’hydrogène vert », explique le chercheur.

Avec une large application, l’hydrogène vert peut être utilisé, par exemple, dans la production d’ammoniac qui entre dans la composition des engrais. « Aujourd’hui, l’ammoniac est synthétisé avec de l’hydrogène issu du gaz naturel, ce qui génère une empreinte CO2 », précise le chercheur. L’oxygène pur, en revanche, peut être utilisé pour la combustion de la bagasse de canne à sucre. « En condensant l’eau, vous pouvez facilement et économiquement obtenir du CO2 pur pour le stockage ou pour être transformé en produits. »

L’un d’eux est l’acide oxalique, un élément qui, avec un biomonomère (molécule produite à partir de sources naturelles), entrera dans la composition de l’hydrogel en cours de développement dans le cadre du programme Hydrogel, financé par Shell Brasil, avec des ressources de Clause d’investissement en R&D des contrats de concession de l’Agence nationale du pétrole, du gaz naturel et des biocarburants (ANP), et qui implique plusieurs institutions de recherche de l’USP sous la direction du RCGI, ainsi que l’Université fédérale du Rio Grande do Sul (UFRGS ).

Dans ce cas, l’acide oxalique sera produit par le Laboratoire des piles à combustible, en collaboration avec l’Institut de recherche énergétique et nucléaire (Ipen) et la Société brésilienne de recherche agricole (Embrapa). L’hydrogel généré à la fin de l’ensemble du processus de recherche sera appliqué dans le processus de plantation sous forme de granulés, qui se dégraderont et libéreront du carbone à stocker dans le sol. « L’idée est de créer un cercle vertueux et de permettre de nouveaux marchés dans le secteur national du sucre et de l’alcool. »

Un autre avantage du réacteur est de rendre la vinasse plus concentrée – environ 10 litres de vinasse sont produits pour chaque litre d’éthanol. « C’est un volume énorme à stocker et à transporter. Si elle est plus concentrée, exempte d’une fraction d’eau, la vinasse prendra moins de place et demandera moins de transport. Il convient de mentionner que ce transport, en général, est effectué par des camions alimentés au diesel, ce qui ajoute des empreintes de CO2 à l’éthanol brésilien », souligne Lopes.

La vinasse est un résidu d’éthanol et peut être transformée en hydrogène vert – Photo : USP Imagens/Raphael Berthoud

Selon Lopes, la vinasse concentrée minimiserait également l’ajout d’engrais de synthèse à la culture. « Le mélange de vinasse et d’engrais de synthèse provoque des émissions de CO2 plus élevées. Sans compter qu’en réduisant le volume d’eau, on évite que l’excès de liquide n’atteigne la nappe phréatique et ne pollue les rivières.

L’hydrogène vert peut également alimenter les véhicules équipés d’un moteur à pile à combustible, l’un des types de véhicules tout électriques qui circulent aujourd’hui dans le monde, notamment au Japon, l’autre modalité étant les véhicules électriques alimentés par une batterie rechargeable dans des prises spéciales. « Dans le moteur d’un véhicule à pile à combustible, l’hydrogène réagit avec l’oxygène provenant de l’environnement. L’énergie électrique libérée alimente le véhicule et le processus ne génère que de la chaleur et de l’eau pure comme déchets. Actuellement, cet hydrogène est obtenu dans le monde entier grâce au gaz naturel, qui génère des empreintes de CO2. D’où l’importance de trouver des moyens de produire de l’hydrogène vert. C’est ce que nous comptons faire en laboratoire à travers le concentrateur électrolytique de vinasse. Tout est interconnecté », souligne Lopes.

Selon le chercheur, on estime que vers 2040 la production de ce type de véhicule décollera au Brésil. « Cela est particulièrement susceptible d’être le cas pour les flottes de bus et de camions, car un moteur à pile à combustible est plus léger qu’un moteur de véhicule électrique à batterie, en particulier pour les véhicules qui parcourent plus de 450 kilomètres environ par jour », informe Lopes. Cependant, pour que cela se produise, la technologie doit être améliorée en termes de performances et de coût. Selon le chercheur, un autre objectif du laboratoire est justement de développer des pièces plus performantes et moins chères pour les véhicules équipés d’un moteur à pile à combustible. « Les couches de piles à combustible peuvent être optimisées grâce à des modèles numériques avancés et à une optimisation topologique, par exemple. De plus, le catalyseur, issu de la couche catalytique, est en platine, un métal rare qui vaut plus que l’or et qui n’existe pas au Brésil, et le défi est de trouver des options plus abordables », explique Lopes.

Pour rechercher ces solutions, le laboratoire utilisera une technique mise au point par Lopes pendant une saison en tant que chercheur associé à l’Imperial College de Londres, au Royaume-Uni, entre 2012 et 2014. « Le moteur d’un véhicule à pile à combustible est alimenté d’un côté par l’oxygène et, d’autre part, par l’hydrogène. Du côté qui passe l’air, nous mettons un mélange avec environ 1000 (parties par million – ppm) d’ozone. Dans la couche catalytique, où se produit la réaction de la pile à combustible, nous plaçons un pigment qui, lorsqu’il interagit avec l’ozone, émet de la lumière. Cela nous aide à visualiser, à travers une caméra, et à comparer la façon dont le comburant est distribué dans les moteurs à pile à combustible fabriqués avec différents types de matériaux, avec différentes propriétés et dans différentes conditions, favorisant ainsi le développement de modèles numériques avancés de pile à combustible et de leur optimisation topologique », poursuit Lopes.

L’équipe transdisciplinaire du laboratoire, qui comprend des chercheurs de Poli, de l’Institut de physique (IF), de l’Institut de chimie (IQ) et de l’Institut de l’énergie et de l’environnement (IEE) de l’USP, travaillera avec l’Imperial College London au développement de les différentes couches qui composent les piles à combustible comme décrit ci-dessus et entend aller de l’avant. Par exemple, « dans la couche catalytique, l’idée est de savoir si des matériaux plus accessibles, comme un mélange de fer, de carbone et d’azote, peuvent remplacer le platine et être utilisés par l’industrie automobile », explique Lopes. « C’est une demande mondiale. Il existe aujourd’hui aux États-Unis un consortium de recherche, à l’instar du RCGI, axé sur le développement de ces matériaux. Même parce qu’il n’y a pas assez de platine pour faire passer l’ensemble du parc mondial de véhicules à la pile à combustible. Nous, les scientifiques, avons beaucoup de travail devant nous », conclut Lopes.

Du Bureau des communications du RCGI

À propos de RGI – Le Centre de recherche pour l’innovation dans les gaz à effet de serre (RCGI) est un centre de recherche en ingénierie, créé en 2015, avec un financement de la Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) et de Shell. La recherche de RCGI est axée sur les innovations qui permettent au Brésil d’atteindre les engagements pris dans l’Accord de Paris, dans le cadre des CDN – Contributions déterminées au niveau national. Les projets de recherche – 19 au total – sont ancrés dans cinq programmes : NBS (Nature Based Solutions) ; CCU (captage et utilisation du carbone) ; BECCS (Bioénergie avec Captage et Stockage du Carbone); GES (gaz à effet de serre) et plaidoyer. Actuellement, le centre compte environ 400 chercheurs. En savoir plus ici.

Texte mis à jour le 26/01/2022

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