Réaction de Sabatier - Sabatier reaction

Paul Sabatier (1854-1941) lauréat du prix Nobel de chimie en 1912 et découvreur de la réaction en 1897

La réaction de Sabatier ou le procédé de Sabatier produit du méthane et de l'eau à partir d'une réaction d' hydrogène avec du dioxyde de carbone à des températures élevées (idéalement 300-400 ° C) et des pressions (peut-être 3 MPa) en présence d'un catalyseur au nickel . Il a été découvert par les chimistes français Paul Sabatier et Jean-Baptiste Senderens en 1897. En option, le ruthénium sur alumine (oxyde d'aluminium) constitue un catalyseur plus efficace. Il est décrit par la réaction exothermique suivante .

 Δ H = -165,0 kJ / mol

Il existe un désaccord sur la question de savoir si la méthanation du CO 2 se produit en adsorbant d'abord de manière associative un adatome d' hydrogène et en formant des intermédiaires d'oxygène avant l'hydrogénation ou en se dissociant et en formant un carbonyle avant d'être hydrogéné.

 Δ H = -206 kJ / mol

On pense que la méthanation du CO se produit par un mécanisme dissociatif où la liaison carbone-oxygène est rompue avant l'hydrogénation, un mécanisme associatif n'étant observé qu'à des concentrations élevées en H 2 .

La réaction de méthanation sur différents catalyseurs métalliques transportés, y compris Ni, Ru et Rh, a été largement étudiée pour la production de CH 4 à partir de gaz de synthèse et d'autres initiatives de conversion de gaz. Le nickel est le catalyseur le plus largement utilisé en raison de sa sélectivité élevée et de son faible coût.

Applications

Création de gaz naturel de synthèse

La méthanisation est une étape importante dans la création de gaz naturel synthétique ou de substitution (GNC). Le charbon ou le bois subissent une gazéification qui crée un gaz producteur qui doit subir une méthanation afin de produire un gaz utilisable qui n'a plus qu'à subir une dernière étape de purification.

La première usine commerciale de gaz synthétique a ouvert ses portes en 1984 et est l' usine Great Plains Synfuel à Beulah, dans le Dakota du Nord. Il est toujours opérationnel et produit pour 1 500 MW de SNG en utilisant le charbon comme source de carbone. Dans les années qui ont suivi son ouverture, d'autres installations commerciales ont été ouvertes en utilisant d'autres sources de carbone telles que les copeaux de bois.

En France, l'AFUL Chantrerie, située à Nantes, a démarré en novembre 2017 le démonstrateur MINERVE. Cette unité de méthanisation de 14 Nm3/jour a été réalisée par Top Industrie, avec le soutien de Leaf. Cette installation permet d'alimenter une station CNG et d'injecter du méthane dans la chaudière au gaz naturel.

Il a été observé dans un système énergétique dominé par les énergies renouvelables d'utiliser l'excès d'électricité généré par le vent, le solaire photovoltaïque, l'hydroélectricité, le courant marin, etc. pour produire de l'hydrogène par électrolyse de l'eau et l'application ultérieure de la réaction de Sabatier pour produire du méthane. Contrairement à une utilisation directe de l'hydrogène pour des applications de transport ou de stockage d'énergie, le méthane peut être injecté dans le réseau de gaz existant, qui dans de nombreux pays a une capacité de stockage d'un à deux ans. Le méthane peut ensuite être utilisé à la demande pour produire de l'électricité (et de la chaleur – chaleur et électricité combinées) en surmontant les points faibles de la production d'énergie renouvelable. Le procédé est l'électrolyse de l'eau par l'électricité pour créer de l'hydrogène (qui peut en partie être utilisé directement dans les piles à combustible) et l'ajout de dioxyde de carbone CO 2 (procédé Sabatier) pour créer du méthane. Le CO 2 peut être extrait de l'air ou des gaz résiduaires de combustibles fossiles par le procédé aux amines , entre autres. Il s'agit d'un système à faible émission de CO 2 dont l'efficacité est similaire à celle du système énergétique actuel.

Une centrale électrique au gaz de 6 MW est entrée en production en Allemagne en 2013 et alimentait une flotte de 1500 Audi A3.

Synthèse d'ammoniac

Dans la production d'ammoniac, le CO et le CO 2 sont considérés comme des poisons pour les catalyseurs les plus couramment utilisés. Les catalyseurs de méthanation sont ajoutés après plusieurs étapes de production d'hydrogène pour empêcher l'accumulation d'oxyde de carbone dans la boucle de synthèse d'ammoniac, car le méthane n'a pas d'effets néfastes similaires sur les taux de synthèse d'ammoniac.

Aide à la vie de la Station spatiale internationale

Les générateurs d'oxygène à bord de la Station spatiale internationale produisent de l'oxygène à partir de l'eau par électrolyse ; l'hydrogène produit était auparavant rejeté dans l'espace. Lorsque les astronautes consomment de l'oxygène, du dioxyde de carbone est produit, qui doit ensuite être retiré de l'air et également jeté. Cette approche nécessitait le transport régulier de grandes quantités d'eau vers la station spatiale pour la génération d'oxygène en plus de celle utilisée pour la consommation humaine, l'hygiène et d'autres usages - un luxe qui ne sera pas disponible pour les futures missions de longue durée au-delà de l' orbite terrestre basse. .

La NASA utilise la réaction de Sabatier pour récupérer l'eau du dioxyde de carbone exhalé et l'hydrogène précédemment rejeté de l'électrolyse sur la Station spatiale internationale et éventuellement pour de futures missions. L'autre produit chimique résultant, le méthane, est libéré dans l'espace. Comme la moitié de l'hydrogène entrant est gaspillée sous forme de méthane, de l'hydrogène supplémentaire est fourni par la Terre pour compenser la différence. Cependant, cela crée un cycle presque fermé entre l'eau, l'oxygène et le dioxyde de carbone qui ne nécessite qu'une quantité relativement modeste d'hydrogène importé pour être maintenu.

En ignorant les autres résultats de la respiration, ce cycle ressemble à :

La boucle pourrait être encore plus fermée si le méthane résiduaire était séparé en ses composants par pyrolyse , dont le rendement élevé (jusqu'à 95 % de conversion) peut être atteint à 1200 °C :

L'hydrogène libéré serait ensuite recyclé dans le réacteur Sabatier, laissant un dépôt de graphite pyrolytique facilement éliminé . Le réacteur ne serait guère plus qu'un tuyau en acier et pourrait être périodiquement entretenu par un astronaute où le dépôt serait ciselé.

Alternativement, la boucle pourrait être partiellement fermée (75 % de H 2 du CH 4 récupéré) par pyrolyse incomplète du méthane résiduel tout en maintenant le carbone enfermé sous forme gazeuse comme l' acétylène :

La réaction de Bosch est également étudiée par la NASA à cette fin et est :

La réaction de Bosch présenterait un cycle d'hydrogène et d'oxygène complètement fermé qui ne produirait que du carbone atomique en tant que déchet. Cependant, les difficultés à maintenir sa température jusqu'à 600 °C et à gérer correctement les dépôts de carbone signifient que beaucoup plus de recherches seront nécessaires avant qu'un réacteur Bosch puisse devenir une réalité. Un problème est que la production de carbone élémentaire a tendance à encrasser la surface du catalyseur (cokéfaction), ce qui nuit à l'efficacité de la réaction.

Propulseur de fabrication sur Mars

La réaction de Sabatier a été proposée comme une étape clé dans la réduction du coût de la mission humaine vers Mars ( Mars Direct , SpaceX Starship ) grâce à l'utilisation des ressources in situ . L'hydrogène est combiné au CO 2 de l'atmosphère, le méthane étant ensuite stocké comme combustible et le produit secondaire aqueux électrolysé, ce qui donne de l'oxygène à liquéfier et stocké comme oxydant et de l'hydrogène à recycler dans le réacteur. L'hydrogène d'origine pourrait être transporté de la Terre ou séparé des sources d'eau martiennes.

Importation d'hydrogène

Importer une petite quantité d'hydrogène évite de chercher de l'eau et n'utilise que le CO 2 de l'atmosphère.

"Une variante de la réaction de méthanation de base de Sabatier peut être utilisée via un lit de catalyseur mixte et un changement inverse de l'eau et du gaz dans un seul réacteur pour produire du méthane à partir des matières premières disponibles sur Mars, en utilisant du dioxyde de carbone dans l'atmosphère martienne. Un test prototype de 2011 opération qui récoltait du CO 2 à partir d'une atmosphère martienne simulée et le faisait réagir avec H 2 , produisait du méthane propulseur de fusée à un taux de 1 kg/jour, fonctionnant de manière autonome pendant 5 jours consécutifs, maintenant un taux de conversion de près de 100 %. La masse de conception de 50 kg " devrait produire 1 kg/jour de gaz propulseur O 2 :CH 4 ... . Le taux de conversion unitaire global attendu du système optimisé est d'une tonne de propergol pour 17 MWh d'énergie consommée."

Problème de stœchiométrie avec l'importation d'hydrogène

Le rapport stoechiométrique du comburant et du carburant est de 2:1, pour un moteur à oxygène:méthane :

Cependant, un seul passage dans le réacteur Sabatier produit un rapport de seulement 1:1. Plus d'oxygène peut être produit en exécutant la réaction de conversion eau-gaz (WGSR) en sens inverse (RWGS), en extrayant efficacement l'oxygène de l'atmosphère en réduisant le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone .

Une autre option consiste à produire plus de méthane que nécessaire et à pyrolyser l'excès en carbone et en hydrogène (voir la section ci-dessus), où l'hydrogène est recyclé dans le réacteur pour produire davantage de méthane et d'eau. Dans un système automatisé, le dépôt de carbone peut être éliminé par soufflage avec du CO 2 martien chaud , oxydant le carbone en monoxyde de carbone (via la réaction de Boudouard ), qui est ventilé.

Une quatrième solution au problème de la stoechiométrie serait de combiner la réaction de Sabatier avec la réaction inverse eau-gaz (RWGS) dans un seul réacteur comme suit :

Cette réaction est légèrement exothermique, et lorsque l'eau est électrolysée, un rapport oxygène sur méthane de 2:1 est obtenu.

Quelle que soit la méthode de fixation de l'oxygène utilisée, le processus global peut être résumé par l'équation suivante :

En regardant les masses moléculaires, nous avons produit 16 grammes de méthane et 64 grammes d'oxygène en utilisant 4 grammes d'hydrogène (qui devrait être importé de la Terre, à moins que l'eau martienne ne soit électrolysée), pour un gain de masse de 20:1 ; et le méthane et l'oxygène sont dans le bon rapport stoechiométrique pour être brûlés dans un moteur de fusée. Ce type d' utilisation des ressources in situ se traduirait par des économies massives de poids et de coûts pour toute proposition de mission habitée sur Mars ou de retour d'échantillons.

Voir également

Les références

Liens externes