Chambre de mesure sophistiquée
Les véhicules à gaz ont le vent en poupe et ont besoin eux aussi de pots catalytiques. A ce jour, les catalyseurs utilisés dans ces véhicules sont des versions modifiées de catalyseurs pour véhicules à essence, dont le but est de décomposer aussi le méthane, un gaz préjudiciable au climat, présent dans les gaz d’échappement des voitures à gaz. Alors que l’Empa travaille à optimiser les moteurs et les catalyseurs à gaz, le PSI se spécialise dans les méthodes d’analyse qui permettent d’observer très précisément les processus dans le catalyseur. Pour ce faire, on utilise différentes méthodes avec différents types de rayonnements qui permettent d’obtenir différentes informations sur ce qui se passe dans le catalyseur. A ce jour, pour chacune de ces méthodes de mesure, il fallait monter le catalyseur étudié dans une nouvelle chambre de mesure. Les chercheurs au PSI ont développé une chambre de mesure universelle pour leurs travaux, où le catalyseur peut être étudié par le biais de différentes méthodes dans des conditions toujours identiques.
Les véhicules à gaz ont le vent en poupe. L’avantage est évident: de tous les carburants à base d’hydrocarbures, le gaz naturel utilisé comme carburant a le plus bas taux d’émission de CO2 par unité d’énergie. Il est en effet constitué de méthane (CH4), un puissant vecteur énergétique. Par contre, lorsque c’est le gaz de synthèse (SNG) issu de la biomasse qui sert de carburant, l’avantage est encore plus important car le carbone qu’il contient est issu d’une source renouvelable.
Cependant, le marché des voitures à gaz est petit, si bien que pour les fabricants de véhicules, le développement de pots catalytiques précisément configurés pour les moteurs à gaz n’en vaut guère la peine. A la place, ils préfèrent adapter les catalyseurs qui existent déjà sur le marché pour les moteurs à essence. Le problème: les gaz d’échappement des moteurs à gaz contiennent des petites quantités de méthane qui, si possible, ne devraient pas se retrouver dans l’atmosphère car ce gaz contribue de manière importante à l’effet de serre.
Alors que l’EMPA travaille à l’optimisation technique des moteurs et pots catalytiques à gaz, le PSI se spécialise dans certaines méthodes d’analyse sophistiquées qui permettent d’observer très précisément les processus dans le catalyseur. Grâce aux résultats de ces observations, il est possible de développer de meilleures compositions de catalyseurs et des idées pour une exploitation plus efficace.
Revêtement efficace
Dans le catalyseur du véhicule, les gaz d’échappement sont conduits au travers de nombreux canaux parallèles en céramique. Leur surface est recouverte d’une poudre, le catalyseur proprement dit. La plupart du temps, il est composé de particules de métal noble, souvent du palladium. Les polluants des gaz d’échappement réagissent avec le revêtement et sont transformés en eau, en azote et en CO2. Cependant, les molécules de méthane ne sont pas aussi faciles à décomposer étant donné que d’autres composants des gaz d’échappement se lient plus facilement que le méthane au catalyseur et occupent ainsi la surface nécessaire du catalyseur.
Davide Ferri, senior scientist dans le groupe de recherche de Catalyse des processus énergétiques de l’Institut Paul Scherrer explique: Pour compenser, l’industrie applique une couche plus épaisse de palladium aux catalyseurs pour moteurs à gaz et part du principe que cela suffit pour tout décomposer. Notre objectif est d’optimiser le revêtement pour améliorer l’efficacité et économiser du matériau coûteux.
Le groupe de recherche doit pour cela étudier le comportement des particules de métal noble et voir comment elles réagissent avec les polluants. Par ailleurs, les chercheurs s’efforcent de suivre si, avec le temps et sous différentes conditions, les particules se regroupent, si bien que l’efficacité du catalyseur diminue au fil du temps.
L’objectif de Davide Ferri est de savoir ce qui déclenche de tels processus de vieillissement, quel est leur déroulement et ce qui pourrait les retarder. Nous avons la possibilité de suivre ce genre de processus en détail car en combinant intelligemment plusieurs méthodes de mesure, nous pouvons suivre les réactions entre les polluants et les atomes ou molécules de palladium, explique-t-il. Notre spécialité est véritablement de mesurer le catalyseur en laboratoire dans des conditions réalistes en termes de variations de température et de taux d’oxygène
, déclare-t-il. Pour chaque méthode de mesure, les chercheurs utilisent un rayonnement précisément adapté qui ne peut traverser chaque fois que certains matériaux précis.
Normalement, toute mesure suppose une autre chambre de mesure spécialisée, où les conditions peuvent être simulées. Chaque fois aussi, il faut monter le catalyseur dans la chambre, ce qui est long. Une meilleure solution a été développée au PSI: Nous disposons maintenant d’une chambre de mesure dans laquelle il suffit de changer la fenêtre en fonction du type de rayonnement
, explique Davide Ferri. Ainsi, il est possible de mener plusieurs mesures en moins de temps mais aussi dans des conditions absolument identiques dans une seule et même chambre.
Les chercheurs ont donc à présent des moyens encore plus efficaces pour mener leur recherche de meilleurs catalyseurs. Ils ne seront satisfaits que lorsqu’ils auront un catalyseur qui transforme jusqu’à la dernière molécule de méthane.
Texte: Alexandra von Ascheraden
Contact
Dr Davide Ferri, Catalyse pour les processus d'énergie, Institut Paul Scherrer, 5232 Villigen PSI, SuisseTéléphone: +41 56 310 27 81, e-mail: davide.ferri@psi.ch