Un nouveau réacteur électrique pourrait réduire les émissions industrielles

Actuellement, les processus industriels aux États-Unis sont responsables d’environ un tiers des émissions de dioxyde de carbone du pays, soit plus que les émissions annuelles des véhicules de tourisme, des camions et des avions réunis. La décarbonisation de ce secteur est une étape difficile mais essentielle pour atténuer les impacts sur notre futur climat.

Des chercheurs de Stanford Engineering ont conçu et démontré un nouveau type de réacteur thermochimique capable de générer les immenses quantités de chaleur nécessaires à de nombreux processus industriels en utilisant de l’électricité au lieu de brûler des combustibles fossiles. La conception, publiée dans Jouleest également plus petite, moins chère et plus efficace que la technologie actuelle des combustibles fossiles.

« Nous disposons d’une infrastructure de réacteur électrifiée et évolutive pour les processus thermochimiques, qui présente des propriétés de chauffage et de transfert de chaleur idéales », a déclaré Jonathan Fan, professeur associé de génie électrique à Stanford et auteur principal de l’étude. « Essentiellement, nous poussons les performances du réacteur à ses limites physiques, et nous utilisons de l’électricité verte pour l’alimenter. »

Chauffage par induction

La plupart des réacteurs thermochimiques standards fonctionnent en brûlant des combustibles fossiles pour chauffer un fluide qui circule ensuite dans les tuyaux du réacteur, comme une chaudière qui envoie de l’eau chaude dans des radiateurs en fonte dans une vieille maison, mais avec une meilleure isolation et à des températures beaucoup plus élevées. Cela nécessite une infrastructure assez importante et les possibilités de perte de chaleur en cours de route sont nombreuses.

Le nouveau réacteur électrique utilise l’induction magnétique pour générer de la chaleur, un procédé similaire à celui utilisé dans les cuisinières à induction. Au lieu de devoir transporter la chaleur par des tuyaux, le chauffage par induction crée de la chaleur à l’intérieur du réacteur, en tirant parti des interactions entre les courants électriques et les champs magnétiques.

Si vous souhaitez chauffer par induction une tige d’acier, par exemple, vous pouvez enrouler un fil autour de celle-ci et faire passer un courant alternatif dans la bobine. Ces courants créent un champ magnétique oscillant, qui à son tour induit un courant dans l’acier. Et comme l’acier n’est pas un conducteur d’électricité parfait, une partie de ce courant se transforme en chaleur. Cette méthode permet de chauffer efficacement toute la pièce d’acier en même temps, plutôt que de créer de la chaleur de l’extérieur vers l’intérieur.

Adapter le chauffage par induction à l’industrie chimique ne se résume pas à augmenter la température. Les réacteurs industriels doivent créer et distribuer uniformément la chaleur dans un espace tridimensionnel et être beaucoup plus efficaces qu’une cuisinière ordinaire. Les chercheurs ont déterminé qu’ils pouvaient maximiser leur efficacité en utilisant des courants à fréquence particulièrement élevée, qui alternent très rapidement, en conjonction avec des matériaux de réacteur qui sont de particulièrement mauvais conducteurs d’électricité.

Les chercheurs ont utilisé de nouveaux dispositifs électroniques à haut rendement développés par Juan Rivas-Davila, professeur associé de génie électrique et co-auteur de l’étude, pour produire les courants dont ils avaient besoin. Ils ont ensuite utilisé ces courants pour chauffer par induction un réseau tridimensionnel constitué d’un matériau céramique peu conducteur au cœur de leur réacteur.

La structure du réseau est tout aussi importante que le matériau lui-même, a expliqué Fan, car les vides du réseau réduisent artificiellement encore davantage la conductivité électrique. Et ces vides peuvent être remplis de catalyseurs, c’est-à-dire de matériaux qui doivent être chauffés pour initier des réactions chimiques. Cela permet un transfert de chaleur encore plus efficace et signifie que le réacteur électrifié peut être beaucoup plus petit que les réacteurs à combustible fossile traditionnels.

« Vous chauffez une structure de grande surface située juste à côté du catalyseur, de sorte que la chaleur générée atteint très rapidement le catalyseur pour déclencher les réactions chimiques », a déclaré Fan. « De plus, cela simplifie tout. Vous ne transférez pas de chaleur d’un autre endroit et n’en perdez pas en cours de route, vous n’avez pas de tuyaux entrant et sortant du réacteur – vous pouvez l’isoler entièrement. C’est idéal du point de vue de la gestion de l’énergie et des coûts. »

Industrie électrifiée

Les chercheurs ont utilisé le réacteur pour alimenter une réaction chimique, appelée réaction de conversion inverse du gaz à l’eau, en utilisant un nouveau catalyseur durable développé par Matthew Kanan, professeur de chimie à Stanford et co-auteur de l’étude. La réaction, qui nécessite une chaleur élevée, peut transformer le dioxyde de carbone capturé en un gaz précieux qui peut être utilisé pour créer des carburants durables.

Lors de la démonstration de faisabilité, le réacteur a affiché un rendement supérieur à 85 %, ce qui indique qu’il convertit presque toute l’énergie électrique en chaleur utilisable. Le réacteur a également démontré des conditions idéales pour faciliter la réaction chimique : le dioxyde de carbone a été converti en gaz utilisable au taux théoriquement prévu, ce qui n’est souvent pas le cas avec les nouveaux réacteurs.

« Plus nous agrandissons ces réacteurs ou les faisons fonctionner à des températures encore plus élevées, plus leur efficacité est grande », a expliqué M. Fan. « C’est l’histoire de l’électrification : nous ne cherchons pas seulement à remplacer ce que nous avons déjà, nous créons des performances encore meilleures. »

Fan, Rivas-Davila, Kanan et leurs collègues travaillent déjà à l’amélioration de leur nouvelle technologie de réacteur et à l’élargissement de ses applications potentielles. Ils adaptent les mêmes idées à la conception de réacteurs destinés à la capture du dioxyde de carbone et à la fabrication de ciment, et ils travaillent avec des partenaires industriels du secteur pétrolier et gazier pour comprendre ce dont ces entreprises auraient besoin pour adopter cette technologie. Ils effectuent également des analyses économiques pour comprendre à quoi ressembleraient des solutions durables à l’échelle du système et comment elles pourraient être rendues plus abordables.

« L’électrification nous offre l’opportunité de réinventer les infrastructures, de surmonter les goulets d’étranglement existants et de réduire et simplifier ces types de réacteurs, en plus de les décarboner », a déclaré Fan. « La décarbonisation industrielle va nécessiter de nouvelles approches au niveau des systèmes, et je pense que nous ne faisons que commencer. »