Source de lumière quantique pour la production écologique de biogaz
Substances précieuses issues de la biomasse - les lasers à cascade quantique offrent de nouvelles possibilités très intéressantes
Une grande partie de nos déchets est bien trop précieuse pour être simplement incinérée. S'ils sont recyclés d'une manière soigneusement contrôlée, il est possible non seulement de produire de l'énergie thermique, mais aussi d'utiliser le gaz qui en résulte pour produire des produits chimiques précieux - de l'hydrogène au méthane ou au méthanol. Toutefois, le processus de production de gaz doit être étroitement surveillé et réglementé.
Michael Jaidl (à gauche) et Florian Müller
Technische Universität Wien
Jusqu'à présent, un sous-produit très courant de la gazéification, la vapeur d'eau, constituait un véritable casse-tête. Pour contrôler efficacement la gazéification, il est important de connaître le plus précisément possible la teneur en eau du gaz produit. Cependant, les méthodes conventionnelles rendent difficile la mesure de la teneur en eau. Dans le cadre d'une collaboration entre le génie des procédés et la photonique à la TU Wien (Vienne), ce problème a été résolu à l'aide d'un type de source lumineuse très particulier : le rayonnement térahertz d'un laser à cascade quantique. La technologie quantique de pointe permet désormais un recyclage de la biomasse respectueux de l'environnement.
Les mesures conventionnelles ne suffisent pas
"De nombreux composants chimiques du gaz produit peuvent être détectés à l'aide de la lumière infrarouge", explique Florian Müller, qui étudie les systèmes de carbone renouvelable dans le cadre du programme de doctorat CO2Refinery à l'Institut de génie chimique, environnemental et biologique de l'Université technique de Vienne (TU Wien). "Différentes molécules absorbent différentes longueurs d'onde de la lumière infrarouge. En mesurant quelle partie de quelle longueur d'onde est absorbée par un échantillon, il est possible de déterminer si l'échantillon contient une certaine substance ou non".
Il est toutefois difficile de le faire avec la vapeur d'eau, un sous-produit particulièrement important pour le processus de production de gaz. "Lorsque l'on convertit la biomasse en gaz, on obtient un mélange gazeux complexe qui contient non seulement de la vapeur d'eau, mais aussi de nombreux hydrocarbures différents", explique Florian Müller. Et certains d'entre eux absorbent le rayonnement infrarouge exactement aux mêmes fréquences que l'eau. Cela signifie qu'il n'est pas possible de dire exactement quelle substance est responsable de l'absorption, et donc que la teneur en eau du gaz produit ne peut pas être déterminée avec précision. Il est possible de refroidir un échantillon de gaz et de mesurer ensuite la quantité d'eau condensée, mais cela prend du temps. Il n'est pas possible de réagir rapidement à des concentrations d'eau fluctuantes, ce qui rend difficile un fonctionnement efficace.
L'université de Vienne développe des sources de rayonnement térahertz
Parallèlement, Michael Jaidl menait des recherches à l'Institut de photonique de l'université de Vienne sur les faisceaux laser dans la gamme des térahertz, c'est-à-dire des rayonnements dont la longueur d'onde est légèrement supérieure à celle des rayonnements infrarouges couramment utilisés aujourd'hui pour les mesures spectroscopiques. Michael Jaidl et Florian Müller sont de vieux amis qui se connaissent depuis l'école, et c'est ainsi qu'ils ont eu l'idée de combiner leurs domaines de recherche.
Michael Jaidl a pu montrer qu'il est possible de trouver des fréquences dans la gamme des térahertz qui ne sont spécifiquement absorbées que par les molécules d'eau et non par les nombreuses autres substances présentes en concentrations significatives dans le gaz produit par une usine de gazéification de la biomasse. Le problème de la détection de la vapeur d'eau peut donc être résolu en utilisant le rayonnement térahertz au lieu du rayonnement infrarouge habituel.
Le rayonnement térahertz est difficile à produire. À la TU Wien, des astuces issues de la technologie quantique sont utilisées pour produire des lasers à cascade quantique - de minuscules semi-conducteurs dotés d'une structure géométrique sur mesure à l'échelle du nanomètre qui garantit que seul un rayonnement d'une longueur d'onde très spécifique est émis lorsqu'une tension électrique est appliquée. Ce laser à cascade quantique nécessite son propre refroidissement, mais les deux chercheurs sont parvenus à mettre au point un appareil compact et portable capable de mesurer de manière fiable la teneur en eau des gaz de produits chauds à l'aide d'un faisceau térahertz.
Premiers essais réussis
"L'un des principaux avantages de notre méthode est qu'elle fournit des résultats fiables pour une large gamme de concentrations de vapeur d'eau et de températures", explique Michael Jaidl. "Cela s'explique par le fait que le rayonnement térahertz que nous utilisons est très fortement absorbé par la vapeur d'eau, ce qui nous permet d'utiliser une installation plus compacte. Un autre avantage majeur de la conception compacte est que la température dans la cellule de mesure ne fluctue pas autant, ce qui réduit le risque d'erreurs."
Le parfait fonctionnement de la nouvelle méthode a été démontré lors d'expériences de production de gaz à partir de déchets de bois sur le campus Getreidemarkt de la TU WIen. Les deux chercheurs et leurs équipes souhaitent à présent améliorer encore leur technologie : d'une part, la rendre encore plus pratique et conviviale et, d'autre part, étudier si d'autres composants des gaz produits peuvent être détectés de manière fiable à l'aide de la technologie térahertz.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Florian Johann Müller, Michael Jaidl, Dominik Theiner, Johann Zeitlhofer, Florian Benedikt, Lena Steiner, Alexander Bartik, Marie Christine Ertl, Aaron Maxwell Andrews, Gottfried Strasser, Stefan Müller, Franz Winter, Karl Unterrainer; "Water vapor quantification in raw product gas by THz quantum cascade laser"; Energy Conversion and Management: X, Volume 26
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