De l'alambic au stockage : des chercheurs transforment des sous-produits du bourbon en supercondensateurs

Josiel Barrios Cossio, étudiant diplômé, a découvert l'ampleur du problème des déchets du whisky américain lors d'un stage de recherche visant à étudier les problèmes liés à l'alimentation, à l'énergie et à l'eau dans le Kentucky. "Sur le volume final de bourbon produit, on obtient 6 à 10 fois cette quantité de vinasse sous forme de déchets", explique Barrios Cossio, "ce n'est donc pas rien".

Ce résidu est une purée non homogène qui est généralement vendue aux agriculteurs comme aliment pour le bétail ou comme additif pour le sol. Mais il est difficile de le transporter lorsqu'il est humide, et son séchage est coûteux.

Une solution alternative consiste à convertir directement la bouillie en matériaux carbonés plus précieux en utilisant une technique appelée carbonisation hydrothermale, qui s'apparente à une cuisson sous pression à haute intensité. "Nous pourrions prendre les résidus tels quels, dans une dispersion contenant beaucoup d'eau", explique Barrios Cossio, "et utiliser cet inconvénient comme un avantage".

L'équipe s'est intéressée aux matériaux carbonés parce qu'ils constituent de bonnes électrodes pour les supercondensateurs, un type de dispositif de stockage d'énergie. La carbonisation hydrothermale pourrait offrir un déchet végétal comme source de ces électrodes. Des recherches antérieures ont démontré que des sous-produits agricoles tels que les fibres de maïs pouvaient être convertis en matériaux carbonés grâce à ce type de chauffage, mais la stratégie n'a pas été essayée avec le bourbon, qui est constitué d'un mélange de céréales comprenant obligatoirement du maïs.

Barrios Cossio et Marcelo Guzman, chimiste à l'université du Kentucky et chercheur principal du projet, ont donc entrepris de convertir les déchets de leurs distilleries locales en électrodes pour supercondensateurs.

La première étape a consisté à entrer en contact avec les propriétaires de distilleries, à instaurer un climat de confiance et à les convaincre de laisser les chercheurs pénétrer dans leurs installations pour prélever des échantillons et "en faire quelque chose d'amusant", explique Barrios Cossio. Les chimistes de l'université du Kentucky ont noué des relations avec des distilleries du Kentucky à l'Illinois et même au Canada pour utiliser leurs déchets.

L'équipe a transformé les résidus détrempés en une fine poudre noire en traitant les déchets par la chaleur et la pression dans un réacteur de 10 litres. Ensuite, la poudre noire a été chauffée, par exemple, à 392 degrés Fahrenheit (200 degrés Celsius) dans un four, soit seule pour former du carbone dur, soit avec de l'hydroxyde de potassium à 1 472 degrés F (800 degrés Celsius) pour former du charbon actif. Le carbone dur ressemble au graphite, mais ses feuilles de carbone sont moins bien empilées, ce qui le rend idéal pour adsorber davantage d'ions lithium afin d'augmenter la capacité de stockage de l'énergie. Le charbon actif est extrêmement poreux, ce qui signifie qu'il peut stocker de grandes quantités de charge, et donc d'énergie, dans sa grande surface interne.

Pour la validation du concept, l'équipe a fabriqué des condensateurs à double couche en prenant en sandwich un électrolyte liquide entre des électrodes de carbone activé. Lors des essais, ces supercondensateurs de la taille d'une pièce de monnaie pouvaient stocker jusqu'à 48 wattheures par kilogramme, ce qui était comparable aux condensateurs disponibles dans le commerce.

Les chercheurs ont également expérimenté des supercondensateurs lithium-ion hybrides, conçus pour trouver un compromis entre les vitesses de décharge rapides des condensateurs et le stockage d'énergie plus important des batteries. Ils ont donc construit des dispositifs dotés d'une électrode en charbon actif de type condensateur et d'une électrode en charbon dur de type batterie, toutes deux infusées d'ions lithium. Ces supercondensateurs dérivés de la distillation ont stocké jusqu'à 25 fois plus d'énergie par kilogramme que les versions conventionnelles.

Les supercondensateurs lithium-ion constituent également un nouvel exemple d'utilisation d'une source agricole pour deux électrodes différentes dans un seul dispositif. "J'ai découvert qu'il était possible de fabriquer des dispositifs hybrides à partir de ces déchets", explique M. Barrios Cossio. "Les dispositifs hybrides ne sont pas courants. Ils ne sont pas courants et ne sont pas faciles à fabriquer.

Les prochaines étapes pour les chercheurs consistent à étudier les mécanismes de stockage de l'énergie de leurs supercondensateurs dérivés de l'alambic afin de les optimiser en vue de leur commercialisation. Leur objectif est de développer des versions plus grandes des supercondensateurs, de sorte qu'un jour, cette technologie puisse aider à stabiliser le réseau électrique à mesure que davantage de sources d'énergie renouvelables sont incorporées. Dans l'immédiat, l'équipe poursuivra l'analyse du cycle de vie ainsi que les évaluations de faisabilité économique et technologique afin d'évaluer la durabilité de la conversion des déchets de distillerie en dispositifs de stockage de l'énergie.

Dans l'ensemble, l'équipe se réjouit d'avoir trouvé un prototype de solution à un problème local en collaboration avec le groupe d'Andrea Balducci de l'université Friedrich Schiller d'Iéna, en Allemagne. "Ce projet nous a permis d'établir un lien entre un problème concret et les industries de notre État", explique M. Guzman, "et c'était super cool".