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

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 Wh_e /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/kW_p pour le photovoltaïque (PV) installé en Suisse, soit 0,074 CHF/kWh_e 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.