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Le tournant énergétique exige des sources d'énergie respectueuses du climat, c'est-à-dire dont la production et l'utilisation génèrent le moins d'émissions de CO2 possible - dans l'idéal, pas du tout. Les sources d'énergie synthétiques, c'est-à-dire celles qui sont obtenues par des processus de transformation à partir d'énergie renouvelable, s'imposent en tant que solution entre autres pour cela. En effet, l'utilisation de telles sources d'énergie ne produit que la quantité de CO2 qui a été extraite de l'atmosphère pour leur production.
Le méthane produit artificiellement entre dans cette catégorie. «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. «Mais pour produire de l'hydrogène, il faut non seulement de l'électricité renouvelable, mais aussi beaucoup d'eau. Dans notre démonstrateur de mobilité move, 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.» De tels concepts pourraient alors être mis en œuvre à l'avenir dans des régions désertiques dépourvues de réserves d'eau liquide.
La production de méthane synthétique à partir d'hydrogène et de CO2 – ce que l'on appelle la méthanisation – a toutefois ses inconvénients. En effet, le gaz produit par un procédé catalytique contient jusqu'à présent 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 de réacteur dans lequel la formation d'hydrogène est empêchée du côté du produit. Les chercheurs de l'Empa obtiennent ainsi une conduite plus simple du processus et une meilleure aptitude à l'exploitation dynamique, c'est-à-dire par exemple au couplage avec des énergies renouvelables disponibles de manière intermittente. Le projet est soutenu par le canton de Zurich, Avenergy Suisse, Migros, Lidl Suisse, Armasuisse, Swisspower ainsi que par le Conseil des EPF.
Injection directe dans le réseau de gaz grâce à l'adsorption d'eau
Le méthane sans hydrogène est produit dans le move par la méthanisation dite renforcée par sorption. L'idée est la suivante: l'eau produite par la réaction est adsorbée en permanence sur un support catalytique poreux pendant le processus de méthanisation. Cette élimination continue de l'eau a pour conséquence que le produit obtenu est uniquement du méthane – sous forme pure. Il n'est donc pas nécessaire de purifier le mélange de produits (comme c’est le cas jusqu'à présent). À la fin de la réaction, le support de catalyseur est à nouveau séché par réduction de la pression – et est prêt pour le prochain cycle de réaction. «Ce processus est plus flexible et plus stable que les procédés précédents, 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», explique Florian Kiefer, responsable du projet de méthanisation renforcée par sorption au sein de move.
Du laboratoire à l'installation industrielle
Florian Kiefer et son équipe ont mené pendant près de trois ans des recherches sur un nouveau concept de réacteur avec des pellets de zéolithe qui font office de support de catalyseur poreux et qui adsorbent en même temps l'eau produite pendant la réaction de méthanisation. L'accent a 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. Pour ce faire, l'Empa a collaboré avec différents partenaires industriels. Le facteur décisif pour la conception du réacteur et la planification du processus est avant tout le temps de régénération, c'est-à-dire le temps nécessaire pour le séchage du réacteur. Pour garantir une production continue de méthane, il faut donc qu'au moins deux réacteurs fonctionnent en alternance. Pour le séchage des réacteurs, il est en outre essentiel de disposer d'une gestion thermique appropriée, soit par l'évacuation de la chaleur du réacteur, soit par le stockage interne de la chaleur dans le lit catalytique. Dans ce domaine, l'équipe de Florian Kiefer a déposé un brevet.
Les synfuels flexibilisent le système énergétique
Les synfuels peuvent être utilisés dans les véhicules traditionnels à essence, diesel ou gaz. L'inconvénient de la production de synfuels réside dans les pertes de conversion élevées. Aujourd'hui, environ 50% de l'énergie primaire est perdue lors de la production de synfuels à partir d'électricité renouvelable. Ces pertes pourront vraisemblablement être réduites à 40-45% à l'avenir. Des considérations économiques montrent que les synfuels ne sont utiles que dans les cas où une électrification directe n'est pas possible - par exemple pour le transport longue distance et le transport de marchandises, dans les cargos et les avions.
Toutefois, si l'on considère l'ensemble du système énergétique, les synfuels présentent un avantage décisif : ces sources d'énergie peuvent être facilement transportées sur de longues distances, ce qui permet d'exploiter des ressources énergétiques renouvelables éloignées. De plus, ils peuvent être stockés sans perte sur de longues périodes. Ils permettent ainsi la flexibilisation nécessaire du système énergétique indigène et renouvelable.