Méthane: un nouveau concept de réacteur

Grâce aux sources d’énergie synthétiques, il est désormais possible de stocker et transporter de l’énergie renouvelable à long terme. Le méthane est l’une de ces sources d’énergie. Des chercheurs de l’Empa ont mis au point un nouveau concept de réacteur permettant de réduire les pertes d’énergie lors de la production de méthane.

Le pionnier allemand des biocarburants Verbio utilise déjà toute une flotte de camions fonctionnant au GNC et au biogaz dans leur réservoir. Source : Verbio

La mobilité durable implique le remplacement des carburants fossiles par des sources d’énergie renouvelables. Le biogaz permet notamment un tel changement. Ce gaz issu de résidus est en effet renouvelable et affiche un bilan carbone pratiquement neutre, car la décomposition de la biomasse non utilisée produit la même quantité de CO₂ que le volume de carburant correspondant. Le biogaz, tout comme d’autres sources d’énergie durables et le méthane synthétique, contribue par conséquent à réduire massivement les émissions de CO₂.

L’utilisation directe d’électricité renouvelable dans les véhicules électriques fait donc tout autant sens que l’utilisation d’énergie renouvelable pour la production de carburants à faibles émissions de CO₂ tels que l’hydrogène ou le méthane. Ces carburants synthétiques sont par ailleurs utilisables avec la flotte existante ou comme carburants durables pour le transport longue distance et le trafic lourd. À Dübendorf (Zurich), l’Empa réalise des tests avec des partenaires des secteurs de la recherche, de l’économie et des pouvoirs publics afin de savoir comment la mobilité du futur pourrait fonctionner sans énergie fossile.

Christian Bach, directeur du département Systèmes de propulsion de véhicules de l’Empa, explique le fonctionnement du démonstrateur de mobilité “move”. Source : Empa

«Le gaz synthétique offre un énorme potentiel lorsqu’il est produit à partir de CO₂ atmosphérique et d’hydrogène produit de manière renouvelable», explique Christian Bach, directeur du département Systèmes de propulsion automobile de l’Empa. «Et pour produire de l’hydrogène, il faut non seulement de l’électricité renouvelable, mais aussi beaucoup d’eau. Dans notre démonstrateur de mobilité, nous voulons donc extraire de l’atmosphère non seulement le CO₂, mais aussi l’eau nécessaire à la production d’hydrogène à l’aide d’un collecteur de CO₂ de la spin-off Climeworks de l’ETH Zurich, directement sur place.»

L’un des problèmes rencontrés lors de la production du méthane synthétique, qui peut déjà approvisionner des voitures de tourisme et des camions dans le démonstrateur de mobilité «move», est la perte d’énergie relativement importante lors de la conversion, sans compter que les procédés actuels nécessitent une purification du méthane. Les chercheurs de l’Empa ont donc mis au point un nouveau concept de réacteur optimisé pour la méthanisation, c’est-à-dire la production de méthane synthétique à partir d’hydrogène et de CO₂, qui réduit considérablement les pertes d’énergie. Les connaissances acquises grâce au nouveau concept de réacteur servent en outre de base à la construction de nouvelles grandes installations.

Source: Empa

Jusqu’à présent, le gaz produit par un procédé catalytique contient également de l’hydrogène, ce qui rend impossible une injection directe dans le réseau de gaz. Les chercheurs de l’Empa Florian Kiefer, Marin Nikolic, Andreas Borgschulte et Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler ont donc développé un nouveau concept qui empêche la formation d’hydrogène du côté du produit. Il en résulte une conduite plus simple du processus et une meilleure aptitude à l’exploitation dynamique, par exemple au couplage avec des énergies renouvelables disponibles de manière intermittente. Le méthane sans hydrogène est produit dans le «move» par la méthanisation dite renforcée par sorption. L’idée est la suivante: pendant le processus de méthanisation, l’eau produite par la réaction est absorbée en permanence par un support porteur catalytique poreux. Cette élimination continue de l’eau a pour conséquence que le produit obtenu est uniquement du méthane, sous forme pure. Ainsi, il n’est plus nécessaire de purifier le mélange de produits avant que le gaz synthétique ne soit injecté dans le réseau.

Le chercheur de l’Empa Florian Kiefer, responsable du projet de méthanisation renforcée par sorption, contrôle l’installation expérimentale. Source Empa

Astuce intéressante: le support de catalyseur est séché par réduction de la pression à la fin de la réaction et est ainsi prêt pour le cycle de réaction suivant. «Ce processus est plus flexible et plus stable que les procédés précédents», explique Florian Kiefer, responsable du projet de méthanisation renforcée par sorption. «Mais il a aussi un certain potentiel d’économie d’énergie, car nous fonctionnons à une pression de réacteur plus basse et pouvons renoncer à la séparation et au recyclage de l’hydrogène. Une évaluation précise de l’efficacité énergétique ne sera toutefois possible que lorsque le démonstrateur sera terminé.»

Florian Kiefer et son équipe ont travaillé pendant près de trois ans sur le nouveau concept de réacteur. L’accent ayant aussi été mis sur l’upscaling du procédé, c’est-à-dire sur un concept permettant de mettre en œuvre ce procédé pour les grandes installations, le temps de régénération pour le séchage du réacteur était particulièrement important. La solution? Pour une production continue de méthane, il faut qu’au moins deux réacteurs fonctionnent en alternance. Ce nouveau procédé permettra à l’avenir de produire des carburants synthétiques avec moins de pertes d’énergie. Il s’agit d’un pas important vers l’élimination de cette critique régulièrement formulée au sujet des carburants synthétiques. (pd/jas, 26 janvier 2023)

Avec leur travail, les chercheurs de l’Empa montrent que les sources d’énergie synthétiques ne sont pas seulement adaptées au cycle du CO₂, mais qu’elles peuvent aussi rendre l’énergie renouvelable transportable et stockable à long terme. Source : Empa