Power Shift est la série en cours d’Ellyn Lapointe sur Gizmodo, qui explore les avancées des technologies vertes, avec un accent sur les énergies renouvelables, la modernisation du réseau et la réduction des émissions.
Le recyclage du plastique et la décarbonation de l’énergie représentent deux des défis de durabilité les plus urgents de notre époque. Une nouvelle étude propose une solution capable de traiter ces deux problématiques simultanément : transformer les déchets plastiques en hydrogène propre.
Bien que le concept ne soit pas nouveau, l’approche—décrite dans un article publié dans les Proceedings of the National Academy of Sciences au début du mois—améliore nettement les méthodes traditionnelles. Désigné « ATT », sigle de alkaline thermal treatment (traitement thermique alcalin), ce procédé produit de l’hydrogène de très haute pureté à des températures bien plus basses et sans nécessiter un tri exhaustif des déchets. De plus, il ne génère pas directement d’émissions de gaz à effet de serre.
Deux problèmes, une solution
Étant donné que le recyclage du plastique exige un tri et un traitement coûteux, seule une faible proportion des plastiques jetés dans le monde est effectivement recyclée.
« En pratique, les plastiques mis au rebut se trouvent souvent mélangés, contaminés par des résidus alimentaires, des adhésifs, des étiquettes, des colorants et d’autres additifs, ou bien réunis dans des emballages multicouches », a déclaré à Gizmodo par courriel Woo Jae Kim, professeur de génie chimique et de science des matériaux à Ewha Womans University, en Corée du Sud. « Le tri et le nettoyage peuvent donc être techniquement difficiles et plus coûteux que la fabrication d’un nouveau plastique à partir de ressources fossiles. »
Des recherches antérieures démontraient qu’en 2022, le taux mondial de recyclage stagnait à 9%, tandis que 40% finissaient en décharge et 34% étaient incinérés. Par ailleurs, l’usage du plastique devrait continuer à augmenter, passant de 464 mégatonnes en 2020 à 884 mégatonnes d’ici 2050, selon une projection.
Parallèlement, le monde a un besoin urgent de sources d’énergie propres. L’hydrogène est souvent présenté comme un carburant prometteur car il peut être brûlé comme le pétrole ou le gaz, mais il ne libère pas de dioxyde de carbone lorsqu’il est brûlé. Le problème est qu’il n’existe pas de sources directement extractibles d’hydrogène pur sur Terre. Si l’on veut l’utiliser, il faut le fabriquer.
Pour résoudre ces deux défis, les ingénieurs chimiques explorent diverses façons de transformer les déchets plastiques en hydrogène propre. Deux méthodes qui ont retenu l’attention ces dernières années sont la pyrolyse et la gazéification.
La pyrolyse chauffe les plastiques dans un environnement dépourvu d’oxygène, les décomposant en pétrole, charbon et gaz (dont l’hydrogène). Le procédé génère des émissions de carbone relativement faibles, mais il n’est efficace qu’avec certains types de plastiques et nécessite donc un tri et un raffinage importants.
La gazéification fonctionne différemment, en oxydant partiellement les plastiques à des températures bien plus élevées afin de produire un mélange d’hydrogène, de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures. Comme la gazéification peut traiter des plastiques mélangés sans tri approfondi, elle est généralement considérée comme une approche plus économique, mais les hautes pressions et les températures extrêmes qu’elle exige la rend très énergivore, entraînant des émissions considérables de CO2.
Pour éliminer ces inconvénients, la nouvelle étude propose d’employer un traitement thermique alcalin afin de recycler les déchets plastiques mélangés. Les auteurs ont adapté leur procédé ATT à partir d’une méthode que Kim avait développée avec Ah-Hyung “Alissa” Park, professeure d’ingénierie chimique et biomoléculaire à l’Université de Californie, Los Angeles. Ils avaient conçu le procédé original pour convertir la biomasse telle que les algues en hydrogène de manière neutre en carbone, mais ils se sont demandé si une approche similaire pourrait être utile pour le recyclage du plastique mixte également.
Une conversion plus propre
En laboratoire, Kim, Park et leurs collègues ont utilisé la version modifiée de l’ATT pour convertir les trois plastiques les plus courants—le PET, le PE et le PP—en hydrogène de haute pureté. L’ATT décompose le plastique en l’associant à de l’hydroxyde de sodium (NaOH) et en le chauffant. Grâce aux conditions alcalines fournies par le NaOH, il n’est pas nécessaire d’apporter autant de chaleur que pour la gazéification.
Au départ, le procédé produisait nettement plus d’hydrogène à partir du PET qu’à partir du PE ou du PP. Ces deux plastiques sont composés uniquement de liaisons carbone-hydrogène et restent chimiquement inertes sous des conditions alcalines. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont brièvement exposé le PE et le PP à une chaleur légère et à de l’oxygène avant la réaction principale. Ce prétraitement a permis à chacun des trois plastiques de se décomposer efficacement.
Avec cette approche, les chercheurs ont obtenu des rendements d’hydrogène de 43,7, 51,9 et 30,2 millimoles d’hydrogène par gramme de PET, PE et PP, respectivement—des rendements comparables à ceux obtenus par pyrolyse et par gazéification. De plus, l’analyse post-réaction a montré que les émissions de carbone liées à la réaction étaient négligeables.
Julie Zimmerman, professeure associée de génie chimique et environnemental et vice-prorectrice des solutions planétaires à l’Université Yale, a qualifié l’étude de « concept de réaction intéressant et potentiellement important », mais il est trop tôt pour conclure qu’il s’agit déjà d’un chemin évolutif et durable pour la conversion de plastiques mixtes en hydrogène propre.
Les chercheurs conviennent que l’optimisation du procédé et l’évaluation de sa viabilité économique nécessiteront des recherches supplémentaires. Bien que la réaction ait produit des émissions directes de CO2 négligeables, ils devront réaliser une analyse complète du cycle de vie pour comprendre son empreinte carbone globale, a indiqué Kim. L’équipe doit aussi développer une méthode efficace pour recycler le réactif hydroxyde de sodium et tester si la méthode fonctionne avec des déchets plastiques contenant des résidus alimentaires, de l’humidité, des additifs et d’autres contaminants.
Bien qu’il reste encore beaucoup à faire, l’étude marque une étape importante vers une manière potentiellement plus efficace et plus propre de transformer le plastique en hydrogène. Alors que les déchets et les émissions de carbone continuent de s’accumuler, trouver des solutions innovantes à ces problématiques gagnera en importance.
