Pyrolyse du méthane de synthèse : quand l'efficacité ne fait pas tout...

Pyrolyse du méthane synthétique, le procédé à émissions négatives qui peut contribuer à la décarbonation de l'industrie suisse (Photo : EMPA)

Si la Suisse veut atteindre l'objectif ambitieux de zéro émission d’ici 2050, elle devra également s’appuyer sur ce que l’on appelle technologies à émissions négatives (NET), c'est-à-dire les processus qui captent le CO2 de l'atmosphère et le « piègent » à long terme, par exemple dans le sol et les matériaux poreux comme le béton.

Dans le cadre de la nouvelle initiative Exploiter l'atmosphère, les chercheurs de l'EMPA étudient différentes solutions pour capter et stocker l'excès de CO2 dans l'atmosphère : l'une d'elles se concentre sur la décarbonation de la chaleur générée lors des processus industriels, et prévoit de produire du méthane synthétique à partir de sources renouvelables dans les régions les plus chaudes de la Terre pour l'acheminer vers l'Europe.

Bien que le processus nécessite d'énormes quantités d'énergie, expliquent les scientifiques, il peut entraîner un bilan des émissions négatif, ce qui est l’objectif central des différentes études sur le sujet.

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La Suisse vise les technologies à émissions négatives

D’ici 2050, la Suisse devra éliminez vos émissions de CO2: un projet extrêmement ambitieux, qui passe par le réduction drastique des combustibles fossiles et pour l'élimination « mécanique » du dioxyde de carbone, dont l'émission ne peut être évitée. Pour liquider l’excès de CO2, le dernier rapport le confirme également Fondation pour l'évaluation des choix technologiques (TA-SUISSE), il faudra éliminer le fossile mais aussi recourir à technologies à émissions négatives (NET).

Ces technologies, dans le développement desquelles La Suisse joue un rôle pionnier, permettent de absorber et stocker le CO2, mais ils ont des coûts considérables et nécessitent des améliorations sur le terrain. Parmi les technologies NET les plus prometteuses pour atteindre l’objectif zéro émission nette figurent le stockage du CO2 sous la forme de biomasse dans les forêts, le captage et le stockage du CO2 issue de la combustion de la biomasse et vieillissement accéléré du béton (carbonatation).

I Costi sont probablement le plus grand obstacle à l'heure actuelle : si la priorité est de réduire les émissions à zéro, ces nouvelles technologies ne peuvent être alimentées qu'avec de l'énergie provenant de renouvelables, toujours nettement plus cher que le conventionnel.

Mais il existe déjà des projets importants dans le domaine, comme leUsine pilote Orca pour le captage et le stockage géologique en Islande (la plus grande installation climatiquement positive au monde) et le Projet DemoUpCarma&Storage dirigé par l'ETH Zurich, qui a exploré deux pistes possibles : la minéralisation du CO2 dans le béton et le stockage dans un réservoir géologique en Islande.

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Une solution pour la décarbonation de l’industrie

Les bâtiments, la mobilité et l’industrie sont les plus gros consommateurs d’énergie en Suisse. En se concentrant sur le secteur industriel, on voit que je processus à haute température utilisé dans le travail des métaux etindustrie chimique, très souvent alimenté au gaz naturel, font grimper la consommation énergétique globale du secteur à environ 22 térawattheures par an.

Ainsi, en 2022, leEMPA, le Tech Cluster Zug, le canton de Zoug et plusieurs autres partenaires ont créé leAssociation pour la décarbonisation de l'industrie (AfDI), qui vise à développer des approches intégrées pour réduction des émissions de CO2 dans des applications industrielles pouvant être mises en œuvre rapidement. L'attention de l'Association se porte précisément sur processus à haute température et la logistique, secteurs dans lesquels l'hydrogène jouera un rôle crucial.

Les chercheurs de l’EMPA entendent, dans ce contexte, contribuer à la décarbonation de la chaleur dans les procédés à haute température : «Prenons la décarbonisation au pied de la lettre", il prétend Christian Bach, responsable du laboratoire Automotive Powertrain Technologies à l'EMPA.

"Nous utilisons un procédé de pyrolyse pour séparer le carbone du gaz naturel avant la combustion», explique le scientifique de l'EMPA.

Ce qui reste c'est hydrogène pur (qui peut être utilisé pour faire fonctionner des processus à haute température) e carbone séparé sous forme de poudre, qui peut être traitée ultérieurement pour diverses applications dans la construction et l'agriculture.

Une usine de démonstration de la technologie sera construite en Zugo dans les deux prochaines années : lHydrogène généré par pyrolyse remplacera le gaz naturel fossile dans les fours d'émaillage de V-ZUG.

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L’e-méthane du désert pour atteindre Net Zero

Produire un mégawattheure de chaleur pour l'industrie à partir de gaz naturel, 1,2 MWh d’énergie primaire sont nécessaires et le Emissions de CO2 sont égaux à 288 kg de CO2. Si le gaz naturel est préalablement décarboné par pyrolyse et que seul l’hydrogène obtenu est utilisé pour générer de la chaleur à haute température, les émissions de CO2 peuvent être réduites. réduit de 40 pour cent, pesant 178 kg.

Et il est même possible d'obtenir émissions négatives pendant tout le processus, s'il est utilisé à la place du gaz naturel méthane synthétique, qui est produit en extrayant le CO2 de l’atmosphère qui reste ensuite disponible sous forme de carbone solide.

"Il est toutefois irréaliste de penser que nous serons capables de couvrirénorme besoin d'énergie de notre industrie grâce à la production nationale d’hydrogène renouvelable ou de méthane de synthèse», dit Bach.

Le regard des scientifiques se tourne donc vers régions désertiques du monde, où le rayonnement solaire par mètre carré est le double de celui de la Suisse.

Ici, un autre thème surgit : le production de méthane synthétique dans le désert, son transport vers l'Europe et la pyrolyse ultérieure réduisent l'efficacité globale, il est donc nécessaire d'examiner le bilans énergétiques et les gaz à effet de serre tout au long du cycle de production (y compris l'extraction du gaz naturel et son transport).

Le résultat est que même si les émissions diminuent considérablement, besoin en énergie primaire croît : si le gaz naturel est préalablement décarboné par pyrolyse (et que seul l'hydrogène obtenu est utilisé pour générer de la chaleur à haute température), en effet, la production de 1 MWh nécessite 2,6 MWh d'énergie primaire, plus que doubler par rapport au processus fossile.

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Méthane de synthèse : plus d’énergie, moins d’émissions

L'utilisation de méthane synthétique renouvelable au lieu du gaz naturel, il réduit les émissions de CO2, qui deviennent négatives, mais nécessite d'énormes quantités d'énergie primaire (en supposant que le CO2 nécessaire à la production de méthane synthétique soit extrait directement de l'atmosphère avec un système de captage direct de l'air). C'est pourquoi on ne peut imaginer des plantes de ce type que dans les régions désertiques, explique Bach.

Si l'on considère également les émissions dues à construction de systèmes solaires et éoliens, l'utilisation de méthane de synthèse pour générer 1 MWh de chaleur à haute température implique un besoin en énergie primaire de 3,5 MWh et des émissions égales à 126 kg de CO2.

Mais si le carbone vient séparé à nouveau de l'hydrogène par pyrolyse, le bilan d'émission devient négatif : l'ensemble du processus, dans ce cas, produit -77 kg de CO2. En revanche, comme prévu, les besoins énergétiques sont encore plus élevés : pour chaque MWh de chaleur industrielle, il faut 6,2 MWh.

"Naturellement, les besoins en énergie primaire sont élevés, 2,5 à 3 fois supérieurs à ceux de la production d'hydrogène la plus efficace de Suisse.», admet Bach.

"Mais comme dans les régions désertiques il est possible de générer deux à 2,5 fois plus d’électricité par mètre carré du photovoltaïque par rapport à ici, cette approche ne nécessite quasiment plus de surface photovoltaïque" .

Le véritable défi est représenté par les coûts: Le scientifique de l'EMPA est convaincu que s'il était possible de démarrer marché du carbone en tant que matière première pour des applications énergétiques, l'ensemble du processus pourrait devenir économiquement durable et même rentable.

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