Gaz naturel

Savoir: Power-to-gas

Une technologie prometteuse

Le power-to-gas permet de stocker sous forme de méthane (gaz naturel synthétique) ou d’hydrogène le courant excédentaire produit par des centrales solaires, éoliennes ou hydrauliques. C’est une technique prometteuse pour garantir l’approvisionnement énergétique durable de la Suisse. Le réseau de gaz naturel joue un rôle important dans ce contexte : il fait office de stockage pour les énergies renouvelables.

Ainsi, lorsque davantage d’énergie électrique est produite que consommée, l’excédent peut être stocké durablement sous forme de méthane. Il est dès lors possible de transférer de grandes quantités d’énergie tirée de ressources renouvelables entre le réseau de gaz et le réseau électrique, avec à la clé une grande flexibilité dans l’espace comme dans le temps. 

Procédé

De l’eau est dissociée en hydrogène et en oxygène par électrolyse. L’hydrogène est ensuite enrichi en dioxyde de carbone (CO2) dans un réacteur pour produire du méthane. Le méthane obtenu peut être injecté dans le réseau public de gaz. Avec ce procédé, la combustion du méthane ne va pas émettre de CO2 supplémentaire, vu que le CO2 libéré correspond exactement à la quantité de CO2 que le processus tire de l’environnement.

Installations en Suisse

Plusieurs sites prometteurs ont été inaugurés en 2015 : l’installation power-to-methane de l’Institut des techniques énergétiques de la Haute école technique de Rapperswil (HSR), destinée à produire du carburant; la centrale hybride de Regio Energie Solothurn et la plateforme de démonstration «move» de l’Empa, un institut de recherche interdisciplinaire du domaine des EPF, à Dübendorf (ZH). Une installation pilote y produit de l’hydrogène et du gaz naturel/biogaz enrichi en hydrogène comme carburant destiné à une flotte test.

Ces projets power-to-gas ont pu être réalisés grâce au soutien de l’industrie gazière suisse:

Applications dans le contexte industriel

Installation pilote power-to-gas, Haute école technique de Rapperswil (HSR)

Avec le soutien de l’industrie gazière, l’Institut des techniques énergétiques de la Haute école technique de Rapperswil (HSR) a mis en place la première installation power-to-methane de Suisse. Le projet visait à développer un savoir-faire pour produire du méthane climatiquement neutre à partir d’énergie solaire, d’eau et de CO2, utilisable pour alimenter des véhicules à gaz ou être injecté dans le réseau gazier. Le projet a été achevé avec succès en mars 2017.

Dans le cadre d’un projet de recherche de l’Union européenne, l’Institut des techniques énergétiques de la HSR construit à Rapperswil en collaboration avec l’EPFL une installation power-to-methane améliorée à haut rendement. Fort du soutien de l’industrie gazière suisse et d’autres partenaires de la recherche et du monde économique, le projet HEPP (High Efficiency Powter-to-Methane-Pilot) vise à éprouver cette nouvelle technologie dans des conditions proches de la réalité industrielle. Le but est d’améliorer le rendement et ainsi l’économicité de ce type d’installation, notamment dans la perspective d’une application industrielle.

La convergence des réseaux énergétiques

Centrale hybride de Regio Energie Solothurn

La centrale hybride de Regio Energie Solothurn est un projet pionnier pour l’approvisionnement énergétique. Dans le quartier d’Aarmatt de la commune soleuroise de Zuchwil, trois réseaux énergétiques – électricité, gaz et chaleur à distance – cohabitent. Regio Energie Solothurn tire parti de cette situation pour un système d’un type nouveau consacrant la convergence des trois agents énergétiques.

Le cœur de l’installation est un électrolyseur qui transforme en hydrogène qu’il injecte dans le réseau gazier le courant excédentaire produit par les énergies renouvelables. Lorsqu’on enrichit l’hydrogène avec du CO2, on obtient du méthane qui peut aussi être injecté dans le réseau. La centrale hybride d’Aarmatt s’inscrit dans le cadre du programme phare de l’Office fédéral de l’énergie et est soutenu à ce titre.

Le réseau gazier joue un rôle crucial pour cette installation de démonstration unique en son genre en Suisse ; il dispose d’un énorme potentiel pour le transport et le stockage de grandes quantités d’énergie. Au lieu de débrancher du réseau des centrales solaires, éoliennes ou hydroélectriques en cas d’offre excédentaire de courant, l’électricité peut être transformée en gaz naturel synthétique grâce au procédé du power-to-gas, avant d’être stockée dans le réseau de gaz naturel.

Le gaz peut ensuite être utilisé comme combustible ou comme carburant ; il est aussi possible, et dans certains cas judicieux, de reconvertir ensuite le gaz en électricité. Les différentes phases du processus se fondent sur des procédés éprouvés ; la nouveauté réside dans la combinaison qui mène à une solution globale novatrice, laquelle permet la convergence des différents agents énergétiques et de leurs réseaux respectifs.

Sur le site de la centrale hybride, des chercheurs opérant dans le cadre du programme de recherche et d’innovation de l’UE « Horizon 2020 » visent à perfectionner le power-to-gas pour une utilisation à grande échelle. La méthanisation biologique de l’hydrogène est au centre des travaux. Le projet « STORE&GO », qui réunit les compétences de 27 partenaires de six pays européens, développe des procédés de méthanisation chimique sur deux autres sites, en Allemagne et en Italie.

Du gaz naturel combiné avec de l'hydrogène

« move », la plateforme de démonstration de l’Empa à Dübendorf

La production d’hydrogène issu de courant photovoltaïque et son adjonction au gaz naturel carburant sont au cœur du projet d’un projet power-to-gas réalisé à Dübendorf (ZH) par l’Empa, un institut de recherche du domaine des EPF.

La plateforme de démonstration « move » de l’EMPA produit de l’hydrogène et du gaz naturel/biogaz enrichi en hydrogène pour une flotte test. Il s’agit de véhicules à gaz conventionnels qui sont transformés pour accueillir un gaz naturel carburant contenant jusqu’à 25 % d’hydrogène. L’essai en conditions réelles vise à tracer des pistes pour accroître le rendement des véhicules actuels et réduire encore les émissions de substances nocives et de CO2. En complément, le but est aussi d’accumuler de l’expérience dans l’exploitation de ce genre de véhicules.

Le projet étudiera non seulement l’utilisation directe d’hydrogène dans les moteurs à gaz, mais encore la méthanisation d’hydrogène avec du CO2. Ces procédés, qui sont en développement depuis quelque temps, permettent d’injecter et de stocker le courant excédentaire issu des centrales solaires, éoliennes ou hydroélectriques.

Davantage de biogaz grâce au power-to-gas

Installation de démonstration du PSI et d’Energie 360° à Zurich

Le biogaz brut obtenu à partir de la biomasse contient, outre du méthane biogène, une proportion de CO2 pouvant aller jusqu’à 40%. Il doit donc être traité avant de pouvoir être injecté dans le réseau de gaz naturel. Mais le CO2 contenu dans le biogaz brut peut aussi être exploité, grâce à la technologie du power-to-gas.

Le Paul Scherrer Institut (PSI) et Energie 360° ont montré dans un projet commun dans l’installation de biogaz Werdhölzli à Zurich comment il est possible d’accroître considérablement la production de biogaz injectable. L’installation de traitement du gaz n’isole pas le CO2, mais le transforme en méthane par adjonction d’hydrogène. L’hydrogène est obtenu à partir de courant renouvelable grâce à la technologie du power-to-gas. Un réacteur à lit fluidifié nouvellement mis au point fait réagir les particules d’hydrogène et de CO2 à l’aide d’un catalyseur de sorte à former du méthane. À la fin du processus, on peut utiliser non seulement le méthane présent dans le biogaz brut, mais encore le méthane obtenu à partir du CO2 et de l’hydrogène renouvelable. 

Le projet pilote a montré que la technologie du power-to-gas permet d’accroître la production de biogaz de 60%. Autrement dit, la simple adaptation des stations d’épuration et de compostage de Suisse qui produisent déjà aujourd’hui du biogaz et l’injectent dans le réseau permettrait de quintupler la quantité de biogaz indigène.

Des modèles de stockages pour les énegies renouvelables

Plateforme « Energy System Integration » au PSI

L’Institut Paul Scherrer (PSI) teste différentes variantes du principe du power-to-gas à Villigen (AG). À cette fin, la plateforme ESI (pour « Energy System Integration ») a été mise en service en 2016. Elle vise à dessiner les contours des modèles intégrés de stockage d’énergie qui pourront garantir demain un approvisionnement décentralisé à l’aide d’énergies renouvelables.

Au cœur de la plateforme, on trouve la technologie du power-to-gas. Cette technique permet d’utiliser les excédents d’électricité qui surchargeraient les réseaux pour produire de l’hydrogène. Ce dernier peut être utilisé directement ou pour la production de méthane (gaz naturel synthétique). Le courant est donc transformé en gaz à forte teneur énergétique. L’avantage de l’hydrogène ou du méthane réside en ceci que le gaz peut être stocké longtemps et transporté sur de longues distances. Selon les besoins, il peut ensuite être retransformé en électricité ou utilisé pour produire de la chaleur. Il peut aussi être exploité dans des véhicules au gaz ou comme matière première dans l’industrie.

Les différentes composantes de la technologie du power-to-gas font l’objet de recherches depuis de nombreuses années au PSI. La plateforme ESI vise à étudier pour la première fois dans un modèle pilote complexe les interactions à l’œuvre entre les différents éléments jusqu’ici examinés en ordre dispersé. De multiples variantes du concept du power-to-gas seront éprouvées. Le but est de déterminer lesquelles d’entre elles permettent une utilisation particulièrement rationnelle de l’énergie. La plateforme ESI a une puissance de 100 kilowatt. L’objectif à terme est de mettre au point des installations capables de stocker un ou plusieurs mégawatts d’électricité.