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Les promesses de l'alchimie souterraine

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Les promesses de l'alchimie souterraine

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Sud de la Pologne, région minière de Katowice. Des milliers de tonnes de charbon continuent d’y être extraits chaque année. La mine dans laquelle nous entrons a quelque chose de très particulier. A vingt mètres de profondeur, ce ne sont pas des mineurs qui travaillent dans ces galeries, mais des scientifiques. Leur objectif est ambitieux.

Comme nous l’explique le coordinateur du projet HUGE, Krzysztof Stańczyk, “nous sommes dans une mine de charbon, mais on n’est pas là pour extraire du charbon. On est là pour évaluer s’il existe un procédé alternatif pour produire de l‘énergie dans cette mine : si par exemple, poursuit-il, en injectant de l’oxygène et de la vapeur dans le charbon, on peut d’une manière ou d’une autre, obtenir de l’hydrogène. Cet hydrogène peut ensuite être envoyé vers la surface pour produire de l‘énergie grâce à des turbines de gaz et de la chaleur dans des chaudières, ou il peut être utilisé comme combustible synthétique pour la synthèse chimique.”

A l’aube, un réservoir rempli d’oxygène liquide est installé à l’extérieur de la mine : c’est la première étape d’un test grandeur nature mené dans le cadre d’un projet de recherche financé par l’Union européenne et appelé HUGE. L’expérience a pour but de produire de l’hydrogène dans les entrailles des puits de mine.

Le physicien et chimiste Marian Wiatowski, de l’Institut central polonais des mines, nous présente le processus. “On fait passer l’oxygène liquide de ce réservoir dans un bassin spécial et sécurisé, explique-t-il. A l’intérieur, il se dilate, s‘évapore et se transforme en oxygène sous forme de gaz. Ensuite, on envoi le gaz dans le pipeline en le contrôlant grâce à des soupapes. Le débit est enregistré en continu. On dirige ensuite le flux de gaz vers le gisement de charbon et on attend que le processus de gazéification se produise,” conclue-t-il.

Toute l’expérience, complexe et risquée, est contrôlée depuis ce bâtiment. Des caméras installées dans le sous-sol, ainsi que des capteurs, permettent aux chercheurs de détecter les éventuelles anomalies.

Le chimiste Krzysztof Kapusta de l’institut polonais souligne que c’est le coeur du système de contrôle de l’expérience. On surveille à la fois, poursuit-il, le processus de gazéification lui-même et la qualité de l’air en profondeur dans la mine. Ce contrôle est l’un des éléments-clé de notre projet de recherche.

Lors de la gazéification du charbon en sous-sol, de nombreux gaz différents, dangereux et explosifs sont produits. Cette surveillance nous permet de prévenir les risques d’explosions ou de fuites des gaz dangereux.”

A l’extérieur, les chimistes, aux côtés des géologues, observent aussi ce qui se passe sous leurs pieds. L’entrée de la mine étant totalement hermétique, il faut surveiller si certains gaz parviennent à s‘échapper par les couches poreuses du sous-sol. Exemple sur le terrain : “Ici, on se situe à 25 mètres au-dessus de l’endroit où se produit la gazéification, explique Krzysztof Kapusta. On utilise un géoradar pour observer ce qui se passe à la surface au-dessus de la mine. Ce radar nous permet de mesurer les changements dans la structure souterraine de la cavité où se produit la gazéification. On contrôle aussi les possibles fuites de gaz et on analyse la nature de ces gaz.”

Partons à présent pour la Belgique et plus précisément, pour Liège, une ville de tradition minière. C’est ici qu’ont été menées plusieurs études en vue de préparer l’expérience qui est en cours en Pologne. Grâce au réacteur installé dans ce laboratoire géant, les scientifiques espèrent en savoir plus sur la gazéification du charbon. Il a fallu d’abord reproduire l’intérieur d’une mine. Dans un premier temps, des morceaux de charbon provenant du site polonais ont été mélangés avec de la matière inerte.

D’après Antoine Pierlot, ingénieur électromécanique à l’EcoTechnoPôle Wallonie, “cet élément permet de simuler la présence de terrain mort parce que c’est un projet de gazéification souterraine du charbon et dans les veines de charbon, en sous-sol, il n’y a évidemment pas que du charbon. Il y a aussi une présence de matière inerte qu’il faut pouvoir simuler dans notre réacteur.”

Ce mélange est ensuite placé dans le réacteur où sont introduits différents gaz à des pressions et des températures diverses. Il s’agit de comprendre comment le charbon réagit en fonction de différents paramètres de gazéification. “Contrôler ces paramètres va nous permettre, souligne Antoine Pierlot, de contrôler la qualité et la quantité des produits de notre réacteur de gazéification. Par exemple, en augmentant la pression, on va favoriser la production de méthane;
en augmentant la température, on va favoriser la production d’hydrogène et de monoxyde de carbone.”

Les gaz ainsi obtenus ont été analysés grâce à des techniques sophistiquées, comme la chromatographie qui permet de mesurer les différents constituants d’un mélange.
En examinant aussi le charbon gazéifié issu de ce processus, les chercheurs ont pu tirer de premières conclusions.

Comme le souligne Pierre Landuyt, ingénieur chimique de l’EcoTechnoPôle Wallonie, “les trois types de gazéification sont respectivement : la gazéification en présence de dioxyde de carbone, dont on va dire dans les grandes lignes, qu’elle va générer un gaz riche en monoxyde de carbone; la gazéification en présence de vapeur d’eau qui va générer un gaz relativement riche en hydrogène et la gazéification en présence d’hydrogène qui va générer un gaz riche en méthane qui est le constituant de base du gaz naturel synthétique qu’on retrouve dans les réseaux énergétiques.”

Retour en Pologne. L’expérience a été lancée il y a trois semaines et tout se déroule normalement.
Dans la mine, le réacteur naturel a réussi à gazéifier environ 50 kg de charbon par heure. Aucune fuite dangereuse n’a été constatée.

L’hydrogène et les autres gaz générés ont été prélevés et analysés avec attention. “Dans cette salle, explique Krzysztof Kapusta, on étudie les différents composants chimiques présents dans les gaz générés en sous-sol. On utilise la chromatographie pour mener ces analyses chimiques. Un pipeline provenant directement du réacteur achemine les gaz dans ce système. L’ordinateur collecte les données et réalise des graphiques. De cette manière, souligne-t-il, on peut facilement identifier les différents gaz produits: ici, il s’agit principalement de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone, d’hydrogène, d’azote, d’oxygène et de certains polluants comme les composés du souffre.”

Les chercheurs espèrent rendre leur système plus performant pour augmenter la production d’hydrogène et réduire les rejets de gaz dangereux. Il faut dire qu’il y a aussi un intérêt économique. D’après Krzysztof Stańczyk, “habituellement, dans les mines, quand on extrait du charbon, on n’exploite pas toujours les filons minces et superficiels. Cela demande trop de travail pour un petit rendement. Le processus de gazéification, affirme-t-il, pourrait donner de la valeur ajoutée aux techniques d’extraction et aux mines elles-mêmes. On gaspillerait moins de charbon, l’offre d‘énergie augmenterait et on disposerait d’une source d‘énergie qui serait d’une certaine manière, plus respectueuse de l’environnement.”

La production d’hydrogène dans les mines suscite bien des espoirs : elle pourrait représenter une nouvelle source d‘énergie renouvelable et offrir une perspective d’avenir aux régions minières en difficulté.

http://www.huge.gig.eu