Transition énergétique : le power-to-gas Le power-to-gas pour l'autosuffisance

de Jan Berndorff / Institut Paul Scherrer

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Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont développé un réacteur chimique qui utilise l'énergie solaire pour produire, à partir d'eau et de dioxyde de carbone, du gaz naturel de synthèse pour le chauffage d'immeubles d'habitation. La nouvelle installation en vaut même la peine pour certains immeubles collectifs, comme le montre une nouvelle étude.

Emmanuele Moioli étudie entre autres au PSI comment rendre l'approvisionnement énergétique plus durable à l'avenir.
Emmanuele Moioli étudie entre autres au PSI comment rendre l'approvisionnement énergétique plus durable à l'avenir.
(Source : Paul Scherrer Institut / Markus Fischer)

L'augmentation rapide des prix de l'énergie suscite, entre autres, l'intérêt pour des alternatives aux importations actuelles de gaz naturel. Les procédés réunis sous la dénomination power-to-gas représentent une possibilité à cet égard. L'idée sous-jacente : s'auto-approvisionner en gaz en produisant le combustible de manière synthétique. Ainsi, en été, lorsque le soleil brille longtemps et que l'on n'a pratiquement pas besoin de se chauffer, il serait possible d'utiliser les excédents de courant générés par les installations photovoltaïques pour produire du méthane à partir d'eau et de dioxyde de carbone. Le méthane, principal composant du gaz naturel, est utilisable tel quel, sans traitement préalable. De ce fait, il peut être injecté directement dans le réseau de gaz naturel existant ou stocké dans les installations de stockage de gaz naturel. En hiver, surtout, lorsqu'il fait froid et que le courant solaire est rare, on peut alors l'utiliser, par exemple pour le chauffage.

Non seulement cela permet de garder le logement chaud, mais cela a aussi pour effet accessoire d'utiliser judicieusement l'excédent de courant généré en été. Stocker le courant dans une batterie n'en vaut souvent pas la peine, car ces accumulateurs sont grands, donc onéreux, et occasionnent des coûts écologiques importants à leur fabrication.

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Convertir les excédents de courant en gaz naturel de synthèse présente donc l'avantage de pouvoir stocker l'énergie pour une consommation ultérieure, et ce dans un réservoir qui existe depuis longtemps et n'a donc pas besoin d'être construit spécialement à cet effet. Par ailleurs, un tel procédé augmenterait l'indépendance de la Suisse vis-à-vis des importations de gaz et atténuerait l'impact des fluctuations de prix sur le marché.

Le point crucial est l'efficacité

Le principe du power-to-gas pour l'autosuffisance est donc évident. Mais il a un hic jusqu'ici : l'efficacité. Lors de la conversion de courant en gaz, une importante quantité d'énergie (jusqu'à la moitié) se perd en chaleur résiduelle. Et pour pouvoir utiliser la chaleur résiduelle, on ne disposait jusque-là que de solutions techniques à l'échelle industrielle, comme les fabriques ou les incinérateurs de déchets. Des chercheurs emmenés par Emanuele Moioli, ingénieur chimiste à l'Institut Paul Scherrer, viennent de changer la donne : l'an dernier, son équipe a présenté un système power-to-gas pour l'usage domestique qui s'avère beaucoup plus efficace. Il exploite la chaleur résiduelle dégagée pour chauffer l'eau sanitaire dans l'immeuble. L'appareil fournit donc non seulement du combustible pour le chauffage en hiver, mais aussi de l'eau chaude toute l'année. « On en a aussi besoin en été pour se doucher, cuisiner et faire la vaisselle et la lessive », rappelle Emanuele Moioli.

L'installation est articulée en deux composants : un électrolyseur PEM (membrane échangeuse de protons), qui produit de l'hydrogène pur (H2) par électrolyse à partir d'eau (H2O). Et d'un petit réacteur chimique qui produit du méthane (CH4) à partir de l'hydrogène et de dioxyde de carbone (CO2). Ce processus libère de l'oxygène et de la chaleur résiduelle, mais cette dernière ne reste plus inutilisée. À la place, le réacteur lui-même fait office d'échangeur thermique et chauffe directement l'eau sanitaire à environ 80 °C.

Dans une nouvelle étude, parue dans la revue spécialisée RSC Advances de la Royal Society of Chemistry britannique, Emanuele Moioli vient de démontrer que cet appareil, suivant le lieu où il est utilisé en Suisse, peut couvrir entre 20 % et 40 % de la demande énergétique annuelle d'un grand immeuble d'habitation. Pour ce faire, le chercheur a simulé sur un modèle informatique l'utilisation de ce système dans un immeuble abritant 64 ménages répartis sur 16 étages et disposant de 800 m2 d'installation photovoltaïques sur le toit et la façade sud. Il a calculé le bilan pour Brugg au nord de la Suisse, pour Sion dans les Alpes et pour Lugano tout au sud du pays. À Brugg, l'immeuble a pu s'auto-alimenter à un peu plus de 31 %; à Sion, où il fait nettement plus froid, à près 21 %; et à Lugano, où il fait chaud, à plus de 37 %. Dans tous les cas, l'installation permettait d'épargner environ 20 % des émissions de CO2 à l'environnement comparé à un chauffage au gaz conventionnel.

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La technologie est aussi financièrement rentable

Une question importante est évidemment de savoir si, au total, la technologie est économiquement rentable. « Lorsque l'étude est parue, avant la guerre en Ukraine, les prix de l'électricité et du biogaz étaient tels que l'installation n'aurait pas été rentable, mais entre-temps, le prix du biogaz a presque doublé pour atteindre 12 à 15 centimes d'euro par kilowattheure. En partant d'une utilisation sur 20 ans, l'installation serait donc déjà rentable aujourd'hui », explique Emanuele Moioli.

L'évolution à venir des prix influencera sans doute largement la question de savoir si et comment la technologie s'imposera. Le power-to-gas est par exemple en concurrence avec les pompes à chaleur qui utilisent l'électricité pour tirer de l'énergie de chauffage de l'air ambiant d'une maison ou de la chaleur de la nappe phréatique. Ces dernières années, ces appareils sont aussi devenus toujours plus efficaces et remplacent aujourd'hui le chauffage au gaz ou au mazout dans les maisons. « Ce sont d'excellentes solutions écologiques, reconnaît Emanuele Moioli. Toutefois, elles exigent l'achat d'électricité précisément lorsque le courant solaire est rare et les prix élevés. Un problème que le power-to-gas permet de contourner. »

Mais fonctionne-t-il aussi dans de plus petites unités d'habitation comme les maisons individuelles ? « Il fonctionne, mais l'efficacité en pâtit, explique le chercheur. Dans une maison individuelle, on ne peut pas utiliser complètement la chaleur résiduelle d'une installation de ce genre. Lorsqu'il y a plusieurs habitations, l'énergie peut être répartie de manière plus efficace. »

L'étude d'Emanuele Moioli a été financée par l'Office fédéral de l'énergie dans le cadre du projet Études sur l'injection décentralisée d'énergies renouvelables en ville, sur le Plateau et dans les Alpes.

MSM

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