Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Article technique
01. mars 2021

Installation Power-to-gas novatrice

Inauguration d’un premier réacteur de méthanation au sein d’un PDC

Un nouveau réacteur, convertissant plus de 99,5% du CO2 en méthane de synthèse, a été installé dans un poste de détente et de comptage de gaz naturel à Sion. Cette installation très efficace produit du méthane neutre en CO2 ainsi que de la chaleur. Elle offre un aperçu des possibilités futures pour un approvisionnement en gaz basé sur du méthane de synthèse neutre en CO2 et produit avec de l’énergie renouvelable. Ce développement innovant est le fruit d’une collaboration entre Gaznat et l’EPFL.
René Bautz, Gilles Verdan, Andreas Züttel, Noris Gallandat, 

Le 25 septembre 2020, Gaznat, OIKEN et l’EPFL Valais-Wallis ont inauguré une installation pilote Power-to-Gas (PtG) au poste de détente et de comptage de Sion, en présence du Président de la ville, M. Philippe Varone. Testé sur site, en milieu industriel depuis début septembre 2020, ce projet-pilote a été développé dans les laboratoires de l’EPFL, en étroite collaboration avec Gaznat, et avec le soutien d’Innosuisse. OIKEN, propriétaire du poste de détente et de comptage (PDC), est également partenaire du projet, notamment pour l’injection du gaz de synthèse dans le réseau de distribution local.

Projet innovant

Ce projet est une réelle innovation d’un point de vue technologique, par la mise en service d’un réacteur de méthanation révolutionnaire, mais aussi du point de vue de l’efficience énergétique, de par son intégration dans un PDC (fig. 1). En effet, cette nouvelle installation permet à la fois la production de gaz de synthèse neutre en CO2, grâce au nouveau réacteur de méthanation à haut rendement de conversion (> 99,5%), mais aussi la réduction des émissions de CO2 du poste par la récupération de l’énergie thermique dégagée par l’électrolyseur et le réacteur, utilisée pour préchauffer le gaz avant sa détente. L’objectif étant d’obtenir un poste dont le fonctionnement atteigne la neutralité carbone.

STRATEGIE ÉNERGÉTIQUE SUISSE – QUELLE PLACE POUR LE Ptg?

Pendant des décennies, le système énergétique suisse a été basé sur trois vecteurs énergétiques: le pétrole, l’électricité et le gaz naturel. Aujourd’hui, le pétrole et le gaz naturel représentent encore le 62,6% de la consommation finale d’énergie [1]. Si la décarbonisation à l’horizon 2050 du système énergétique reste un défi majeur, une vision réaliste ne peut s’appuyer que sur une complémentarité des infrastructures énergétiques, qui seront progressivement adaptées aux exigences d’une transition s’appuyant sur l’équité économique, la durabilité environnementale et la sécurité énergétique [2].
Si la neutralité des émissions de carbone pousse naturellement à une électrification croissante, l’énergie contenue dans les liaisons moléculaires continuera à jouer un rôle essentiel pour assurer la résilience du système énergétique. Dans ce contexte, le biogaz, les gaz de synthèse et l’hydrogène auront une place de plus en plus importante dans l’économie gazière et assureront le pont pour le couplage de secteurs.
Comme le montrent certaines études [3, 4], la décarbonisation et l’intégration massive de sources d’énergie renouvelables intermittentes dans le système électrique généreront des périodes de déséquilibre entre la production et la demande, avec des excédents de production en été et des manques pour assurer la demande en hiver sans importations (voir fig. 2a et 2b).
La conversion en un autre agent énergétique apparaît ainsi comme une évidence pour valoriser ces excédents de production, notamment photovoltaïques, en été. La technologie Power-to-Gas est une voie intéressante à suivre pour alimenter des installations de couplage chaleur-force (CCF) qui soutiendront la production électrique en hiver.
Pour les installations Power-to-Gas, deux variantes d’utilisation sont envisagables:

  • Une installation à un seul étage avec production d’hydrogène par électrolyseur et injection directe dans le réseau de gaz naturel. Cette variante a l’avantage d’être la moins chère du point de vue de l’investissement, mais avec un volume limité pour l’injection selon le point de raccordement (actuellement, en Suisse, la directive de la SSIGE G18 pour la qualité du gaz limite le taux d’injection d’hydrogène dans le réseau de gaz à 2%) [6].
  • Une installation à double étage avec un réacteur de méthanation. Cette variante est plus chère et nécessite une source de dioxyde de carbone. Elle a par contre l’avantage de produire du méthane de synthèse avec un haut pouvoir calorifique, sans limitation de volume pour l’injection dans le réseau de gaz.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE L’INSTALLATION AU PDC DE SION

Grâce au projet de recherche SOMAHR [7] réalisé à l’EPFL et soutenu financièrement par Innosuisse et Gaznat, un nouveau réacteur de méthanation par voie catalytique à haut taux de conversion du CO2 (> 99,5%) et très compact a pu être développé. La figure 3 montre cette installation et ses composants. À partir d’une source électrique renouvelable (1 dans fig. 3a) et de l’eau, l’électrolyseur (2) produit de l’hydrogène. Celui-ci est injecté dans le réacteur de méthanation, de même que le CO2 (3) capté sur un site industriel (stocké sous forme de bouteilles). La réaction catalytique dans le réacteur va ainsi produire du gaz de synthèse (réaction de Sabatier), ayant les mêmes propriétés que le gaz naturel. Le gaz produit, de l’ordre de 0,72 kg/h (11 kWh), est injecté directement dans le réseau de distribution, et reconnu comme gaz neutre en CO2. En outre, l’énergie thermique dissipée tant par l’électrolyseur (2) que le réacteur de méthanation (4) est entièrement récupérée pour préchauffer le gaz avant sa détente. Le dimensionnement des équipements a été défini dans le but de produire du méthane de synthèse en ruban durant pratiquement toute l’année, soit 79'000 kWh, tout en permettant une économie sur l’énergie de préchauffage du gaz de l’ordre de 140'000 kWh.
En fonction du retour d’expérience, il est prévu de mettre en œuvre ce concept dans d’autres PDC, en priorité dans des postes alimentant des sites industriels du fait d’une consommation en ruban la majeure partie du temps.
Sur la base de ce projet, Gaznat a décidé de développer un nouveau réacteur de méthanation, d’une puissance 20 fois supérieure à celle du réacteur en service à Sion, soit de 200 kW, dans le but de le commercialiser à large échelle, au vu de son taux de conversion du CO2 et de son rendement dépassant largement les produits concurrents actuellement disponibles sur le marché. Ce nouveau développement se fera en étroite collaboration avec Gaznat, l’EPFL ainsi que GRZ Technologies, une start-up spécialisée dans les installations pour l’hydrogène.

 

LE RÉACTEUR DE MÉTHANATION: UNE INNOVATION TECHNOLOGIQUE

La réaction de Sabatier a été découverte par les chimistes français Paul Sabatier et Jean-Baptiste Senderens en 1897 [8]. Le procédé produit du méthane et de l’eau à partir d’une réaction de l’hydrogène avec du dioxyde de carbone, à des températures élevées (de manière optimale 300 à 400 °C) et à des pressions supérieures à 30 bars, en présence d’un catalyseur, p. ex. nickel ou ruthénium sur alumine (oxyde d’aluminium, Al2O3). Malgré le fait que la réaction CO2 + 4H2 → CH4 + H2O soit une réaction chimique assez simple, on ne sait toujours pas quel est le mécanisme et, surtout, quels sont les états de transition. La réaction est exothermique et l’entropie est négative comme pour la plupart des produits hydrocarbonés. Du fait que seul le CO est stable dans les conditions de réaction, et que le CH4 ne nécessite aucun couplage C-C, la réaction est plutôt sélective. Cependant, un point chaud peut se développer à l’entrée du gaz dans le réacteur et donc limiter la durée de vie du catalyseur et ainsi réduire la quantité de gaz produite. Les réacteurs de Sabatier sont développés et construits depuis plus de 100 ans, avec l’objectif d’éviter le point chaud et de créer une répartition homogène des températures. En conséquence, le rendement de la réaction est limité à environ 70%.

Équilibre et cinétique de la réaction

La vitesse de réaction augmente de façon exponentielle avec la température, par conséquent, des températures plus élevées sont favorables à la cinétique de la réaction. Cependant, l’équilibre de la réaction est à basse température du côté du produit et se déplace avec l’augmentation de la température vers les réactifs. Le rendement de la réaction est plus élevé pour des températures plus basses (fig. 4). Afin d’obtenir une cinétique rapide et un rendement de réaction élevé, un gradient de température dans le réacteur est nécessaire. Souvent, le gradient dans le réacteur est dans la même direction que le flux de gaz, ce qui a pour conséquence de faire diminuer le taux de réaction de manière exponentielle; à l’inverse, le rendement chimique augmente de façon linéaire, avec la baisse de la température.

Nouveau type de réacteur utilisant de grands gradients de température

Un nouveau type de réacteur (fig. 5a) a donc été développé où le lit du catalyseur est refroidi avec des tubes à eau créant un gradient de température élevé (fig. 5b). La réaction est rapide dans les régions chaudes, et se produit le long du gradient de température, suivant la limite thermodynamique; le processus résulte en une conversion de 99,5% dans une seule zone du réacteur.
Le réacteur utilise des nanoparticules de ruthénium supportées par des particules poreuses d’Al2O3 comme catalyseur. Les particules métalliques interagissent avec l’hydrogène et facilitent la dissociation, tandis que le support absorbe les molécules de CO2. La réaction se produit à l’interface entre le métal et le support. Les tubes de refroidissement sont disposés symétriquement autour du centre du réacteur, afin d’obtenir le gradient de température élevé perpendiculaire à la direction du flux gazeux dans l’entier du lit du réacteur.
La conversion dans le réacteur dépasse la limite thermodynamique à la température du réacteur (fig. 6a et 6b) et atteint 99,5% de conversion de CO2. Grâce à cette réaction très efficace, la méthanation peut être atteinte en une seule étape, sans avoir besoin de recourir à la condensation d’eau. Cela permet une construction compacte et peu coûteuse.

Du laboratoire au PDC

À partir d’un réacteur de 2 kW mis en service dans le laboratoire de l’EPFL à Sion [9], un réacteur de 20 kW a été développé en collaboration avec Gaznat, pour le PDC de Sion (fig. 7a; [10]). Comme tous les avantages pour la réaction peuvent être conservés et que la chaleur dégagée peut être utilisée simultanément, un rendement très élevé avec une efficacité énergétique de presque 100% est obtenu (fig. 7b). Ce type de réacteur peut être utilisé pour convertir l’hydrogène renouvelable, combiné avec le CO2 pris dans l’atmosphère ou provenant des gaz de combustion, en méthane de synthèse neutre en CO2. Il offre également la possibilité de convertir le biogaz, qui contient jusqu’à 50% de CO2, en méthane, sans qu’il soit nécessaire de séparer le CO2 et le biométhane avant son injection dans le réseau de gaz. Ceci permet de multiplier presque par deux la production de méthane à partir de biogaz, sans nécessiter un processus de séparation coûteux.

Récupération de l’énergie

L’énergie minimale nécessaire à la limite thermodynamique pour la capture du CO2 dépend de la concentration de CO2, qui est de 10% dans les gaz de combustion et de 400 ppm dans l’air, ce qui revient à respectivement 36 Wh/kg et 120 Wh/kg [11]. Ce dernier chiffre correspond à moins de 5% du pouvoir calorifique supérieur de l’hydrocarbure produit par le CO2 et l’hydrogène.
Le besoin énergétique estimé pour l’absorption de CO2 est de 300 Whe /kg CO2 pour la ventilation de l’air et de 2 kWh/kg CO2 pour la désorption du CO2 [12]. Alors que l’énergie de ventilation provient d’une source électrique, la chaleur de désorption peut être fournie par la chaleur résiduelle d’une source externe. La limite thermodynamique ne nécessite que 133% de l’énergie du gaz. Le besoin énergétique minimum techniquement réalisable aujourd’hui est proche de 200% de l’énergie (fig. 8). Étant donné que la réaction de Sabatier est exothermique et que le principal besoin énergétique pour la capture du CO2 est la chaleur (par le processus de désorption), une grande partie de cette énergie peut être transférée du réacteur de Sabatier. Par conséquent, la demande d’énergie est principalement déterminée par l’efficacité de l’électrolyse (82%).

Coûts

Le coût du gaz naturel de synthèse (SNG) ou méthane de synthèse est principalement déterminé par le coût de l’électricité, la production d’hydrogène, la capture du CO2 et le procédé de méthanation [13]. Le coût d’investissement spécifique de l’électricité renouvelable est actuellement de 1200 CHF/kWp pour le photovoltaïque (PV) installé en Suisse, soit 0,074 CHF/kWhe par unité d’énergie produite. Les électrolyseurs PEM modernes de grande puissance présentent une efficacité énergétique de 50% et un coût d’investissement spécifique de 3000 CHF/kW pour l’hydrogène produit, ce qui entraîne un coût de 8,3 CHF/kg par unité d’hydrogène produite. Le coût pour la capture du CO2 dans l’air est estimé à 1500 CHF/kg CO2/jour, soit un coût du CO2 de < 0,5 CHF/kg. Le coût d’investissement spécifique du réacteur de Sabatier est estimé à moins de 1800 CHF/kW de gaz produit. La réaction exothermique fournit 4,3 kWh de chaleur à > 200 °C pour 1 kg de méthane de synthèse. Le coût du stockage d’énergie (hydroélectricité, batterie, H2 et SNG) est estimé dans la figure 9 à partir du coût énergétique de l’énergie stockée et des dépenses d’investissement tenant compte de la durée de vie des systèmes.

Conclusion

Le stockage d’énergie sous forme d’hydrogène et de méthane basé sur la technologie actuelle est deux fois moins cher par unité d’énergie que l’électricité d’une centrale hydroélectrique avec lac à accumulation. Même si l’électricité produite à partir des installations hydroélectriques reste économiquement la plus avantageuse, des gains d’efficacité et une réduction des coûts sont attendus avec le développement des installations PtG.
Le stockage saisonnier des énergies renouvelables est le plus grand défi de la transition énergétique. Avec la technologie développée à Sion, l’énergie renouvelable peut ainsi être convertie par électrolyse avec un rendement > 80% comparé à la technologie disponible aujourd’hui, puis combinée avec du CO2 capturé dans l’atmosphère ou dans les gaz de combustion, pour produire du méthane de synthèse, tout en utilisant la chaleur produite par le réacteur et l’électrolyseur. Ce méthane de synthèse, neutre en CO2, peut alors être stocké dans des couches géologiques profondes ou dans de très grandes cavités salines ou rocheuses (> 1 TWh). Dès lors, cette technologie permettra un stockage saisonnier de l’énergie renouvelable à l’échelle nationale, sans affecter l’environnement.

Bibliographie

[1] OFEN: Statistique globale suisse de l’énergie 2019. https://www.bfe.admin.ch/bfe/fr/home/approvisionnement/statistiques-et-geodonnees/statistiques-de-lenergie/statistique-globale-de-l-energie.html

[2] Frontier economics 2019: The Value of Gas Infrastructure in a Climate Neutral Europe. https://www.frontier-economics.com/media/3120/value-of-gas-infrastructure-report.pdf 

[3] Teske, S. L. et al. (2019): Potentialanalyse Power-to-Gas in der Schweiz. Bericht, Empa (Dübendorf) & Paul Scherrer Institut (PSI, Villigen)

[4] Tami, R. (2020): Neues aus der ElCom - Herausforderungen Versorgungssicherheit. Présentation du 17 janvier 2020

[5] OFEN: Statistique suisse de l’électricité 2019. https://www.bfe.admin.ch/bfe/fr/home/approvisionnement/statistiques-et-geodonnees/statistiques-de-lenergie/statistique-de-l-electricite.html/

[6] Bucheli, M.; Modolell, D. (2020): Wasserstoff im Erdgasnetz. Aqua & Gas 9/2020: 34-39

[7] Gaznat (2018): Research development – ongoing research supported by Gaznat (2016-2020). https://www.gaznat.ch/upload/contenu_img/Research&Development%20Ongoing%20Research%20supported%20by%20Gaznat%20(2016-2020).pdf

[8] Sabatier, P.; Senderens, J.-B. (1902): Compte Rendu Acad. Sci. 134: 689

[9] Gallandat, N. et al. (2018): Experimental Performance Investigation of a 2 kW Methanation Reactor. Sustainable Energy Fuels 2: 1101–1110

[10] Moioli, E.; Gallandat, N.; Züttel, A. (2019): Parametric sensitivity in the Sabatier reaction over Ru/Al2O3 – theoretical determination of the minimal requirements for reactor activation. Reaction Chemistry & Engineering 4:1: 100 - 111

[11] Lackner, K. S. et al. (2012): The urgency of the development of CO2 capture from ambient air. PNAS 109(33): 13156-13162. https://doi.org/10.1073/pnas.1108765109

[12] Vogel, B.: CO2 – der Rohstoff, der aus der Luft kommt. Im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE), Stand: Mai 2017

[13] Züttel, A. et al. (2021): Feasibility of a net-zero CO2 emission energy system for Switzerland: the challenge of storing renewable energy. To be submitted to Joule

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