Un combustible solaire pour atteindre l’objectif climatique

Les analyses de la mobilité le montrent : Seule une petite proportion de tous les véhicules est responsable de la majorité des kilomètres parcourus. Il s’agit principalement des poids lourds, des conducteurs fréquents et des transports longue-distance qui transportent leurs marchandises dans toute l’Europe. Si ces nombreux kilomètres continuent à être parcourus avec de l’énergie fossile, il ne sera guère possible de réduire suffisamment les émissions de CO2 dans le secteur du trafic routier. Les carburants synthétiques contribuent de manière significative à une solution pour ces conducteurs fréquents.

Avec l’électromobilité, la mobilité à l’hydrogène et les carburants de synthèse, trois voies technologiques pour réduire le CO2 dans les transports routiers sont étudiées dans le démonstrateur de mobilité « move » de l’Empa. « Tous ces concepts présentent des avantages et des inconvénients sur le plan énergétique, opérationnel et économique », explique Christian Bach, chef du laboratoire « Automotive Powertrain Technologies » de l’Empa. « Avec les partenaires de « move », nous développons des connaissances pratiques sur ce sujet. »

Le dernier projet en date tourne autour de la production de méthane synthétique à partir d’hydrogène et de CO2 – un processus qu’on appelle la méthanisation. Ces carburants produits artificiellement à partir d’énergies renouvelables – appelés « synfuel » ou « syngas » – peuvent être transportés par des voies conventionnelles et mis à disposition par l’intermédiaire des infrastructures existantes.

Méthanisation – made by Empa

Le processus chimique de base de la méthanisation est connu depuis plus de 100 ans sous le nom de réaction de Sabatier. Dans le démonstrateur « move », il est prévu d’utiliser un procédé perfectionné à l’Empa : la méthanisation renforcée par sorption. Les chercheurs de l’Empa espèrent que ce nouveau concept d’ingénierie des procédés simplifiera le contrôle des procédés, augmentera l’efficacité et améliorera l’aptitude à l’exploitation dynamique.

La méthanisation fonctionne comme suit : Le méthane (CH4) et l’eau (H2O) sont produits à partir du dioxyde de carbone (CO2) et de l’hydrogène (H2) par conversion catalytique. Et c’est généralement là que se situe le problème : pour séparer l’eau, il faut généralement plusieurs étapes de méthanisation successives – avec des zones de condensation entre les deux. Néanmoins, une partie de l’eau produite est reconvertie en hydrogène par la réaction de conversion du gaz à l’eau. Le produit final contient donc quelques pour cent d’hydrogène, ce qui empêche de l’injecter directement dans le réseau de gaz – l’hydrogène doit d’abord être éliminé dans le cadre d’un processus complexe.

En revanche, la méthanisation renforcée par sorption dans le démonstrateur « move » est un procédé en une seule étape qui ne nécessite pas de séparation de l’hydrogène. L’idée derrière tout cela : L’eau de réaction est « aspirée » et éliminée par un catalyseur poreux pendant le processus de méthanisation. Cette élimination continue de l’eau augmente également le rendement en méthane. « Le produit peut donc être injecté directement dans le réseau de gaz sans purification supplémentaire« , explique Christian Bach.

Le CO2 de l’air ambiant

Le CO2 destiné à la méthanisation est extrait de l’atmosphère directement sur place à l’aide d’un collecteur de CO2 de la spin-off Climeworks de l’ETH. Les molécules de CO2 dans l’air ambiant restent piégées dans un filtre et sont à nouveau extraites au moyen de la chaleur. Grâce à une gestion intelligente de la chaleur, ce besoin en chaleur doit être couvert dans la plus large mesure possible par la chaleur résiduelle qui est produite en continu lors de la production d’hydrogène et de la méthanisation.

En plus du CO2, l’usine Climeworks extrait également de l’eau de l’air, qui est utilisée via une ligne de condensation pour la production d’hydrogène dans l’usine d’électrolyse. Cela signifie que de telles centrales sont également concevables dans les régions sans approvisionnement en eau (voir encadré).

Outre de nouvelles connaissances sur les aspects techniques et énergétiques, le projet a également pour objectif de faire des déclarations sur la viabilité économique du méthane synthétique. « Pour garantir cette perspective globale, le consortium du projet se compose de partenaires couvrant l’ensemble de la chaîne de création de valeur – des chercheurs de l’Empa aux fournisseurs d’énergie, en passant par les exploitants de stations-service et de flottes automobiles, et les partenaires industriels du secteur des technologies et des installations« , explique Brigitte Buchmann, membre de la direction de l’Empa et responsable stratégique de « move ». Le projet est soutenu par le canton de Zurich, le Conseil des EPF, Avenergy Suisse, Migros, Lidl Suisse, Glattwerk, Armasuisse et Swisspower. Les premiers ravitaillements réguliers devraient être possibles à l’été 2022.

Les carburants synthétiques du désert ?

La conversion de notre système énergétique aux énergies renouvelables représente un défi majeur : les sources renouvelables telles que le soleil ou le vent ne sont pas toujours disponibles partout. Dans l’hémisphère nord, nous avons trop peu d’électricité renouvelable en hiver et trop en été.

Dans l’hémisphère sud, c’est l’inverse. Mais il y a aussi des zones où l’ensoleillement est presque continu – la « Sun Belt », où se trouvent les grands déserts de la Terre.

« D’un point de vue global, nous n’avons pas trop peu d’énergie renouvelable dans le monde, mais « simplement » un problème de transport de cette énergie« , déclare Christian Bach. Les sources d’énergie synthétiques pourraient résoudre ce problème.

En Suisse, les petites centrales peuvent apporter une contribution précieuse au système énergétique national en exploitant le surplus d’électricité d’été et en reliant les différents secteurs énergétiques.

Cependant, les centrales de l’ordre du gigawatt pourraient exploiter leur plein potentiel principalement dans la « Sun Belt » de la Terre. Pour donner un exemple : pour couvrir les besoins énergétiques de la Suisse en hiver, qui ne sont pas couverts par l’énergie hydroélectrique, et pour alimenter l’ensemble du trafic longue distance du pays, il faudrait une centrale solaire d’une superficie de 700 kilomètres carrés, soit une surface de 27 x 27 kilomètres ou, en d’autres termes, 0,008 % de la superficie du Sahara. L’eau et le CO2 nécessaires à la production pourraient être extraits localement de l’atmosphère. Les gazoducs existants pourraient également être utilisés pour le transport.