Le Power To Gas, une technologie nécessaire – Arkolia Énergies

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Le Power To Gas, une technologie nécessaire
Le Power To Gas, une technologie nécessaire

Le Power To Gas, une technologie nécessaire

L’utilisation des énergies renouvelables dans les réseaux de distribution est en augmentation, mais leur intermittence suscite des interrogations qui sont liées à leur capacité de stockage. Afin de tirer le meilleur parti de ces énergies, il est nécessaire de trouver une solution de stockage à long terme pour atteindre les objectifs de la transition énergétique.

Le power to gas répond à cette problématique. La conversion de l’électricité (power) renouvelable en gaz (gas) vise à exploiter les surplus d’énergie décarbonée (nucléaire et renouvelable) afin de les stocker, les transporter et les utiliser à des fins différentes.

Dans la perspective d’un mix électrique fortement renouvelable et donc intermittent, le Power-to-Gas représente une condition essentielle à la réussite des objectifs liés à la transition énergétique à horizon 2030-2050.

Décryptage d’une technologie qui promet de devenir un enjeu majeur du secteur de l’énergie dans les années à venir.

Le Power to Gas à la loupe

Le Power To Gas, une technologie nécessaire
Source: ADEME

Power to hydrogen (H2)

Pour aborder la question du power to gas, il est préférable d’examiner en premier lieu le power to hydrogen (H2). Ce procédé consiste à utiliser de l’électricité décarbonée (nucléaire et renouvelable) en vue de produire, par électrolyse de l’eau, de l’hydrogène (H2). L’hydrogène produit par ce procédé est récupéré et peut être utilisé directement pour différents usages :

  • pour des besoins en procédés d’une entreprise industrielle,
  • alimenter des véhicules à hydrogène d’une station-service (pile à combustible),
  • être stocké localement pour être transformé ultérieurement en électricité à l’aide d’une pile à combustible.

L’hydrogène produit peut théoriquement être injecté dans les réseaux de distribution ou de transport de gaz naturel, toutefois le volume d’hydrogène injectable demeure limité, et ne peut donc pas constituer une solution à court ou moyen terme. Il peut également être stocké dans des citernes spéciales, puis reconverti en électricité au moyen de piles à combustible ou de moteurs à combustion à hydrogène.

Power to gas (CH₄)

Le Power to gas (ou power-to-CH4) résulte d’une étape supplémentaire dans le processus Power to hydrogen. Cette étape permet la transformation de l’hydrogène en méthane synthétique (CH4) par méthanation (appelé aussi réaction de Sabatier).

Ce procédé permet de convertir de l’électricité en méthane de synthèse. Le méthane présente un avantage considérable, car il est facile à stocker et possède une grande capacité d’assimilation dans les réseaux de distribution. Par conséquent, son champ d’application peut être étendu à une plus grande échelle:

  • chaleur (chauffage, eau chaude sanitaire, cuisson etc…)
  • matière première de l’industrie chimique
  • mobilité via des véhicules adaptés pour fonctionner au méthane (Gaz Naturel Véhicule, GNV)
  • production d’électricité

Cette technologie semble aujourd’hui être la plus appropriée pour une solution de stockage des excédents de longue durée.

Le rendement énergétique de l’hydrogène

L’hydrogène présente différents systèmes d’utilisation et de stockage. Parmi ces méthodes, il y a la méthode « Power-to-H2-to-Power« , qui utilise l’hydrogène pour stocker temporairement l’électricité pendant la production, afin de la restituer pendant son utilisation. Cette méthode présente une série de conversions impliquant des pertes d’énergie importantes, aboutissant à un rendement de la source électrique utilisée de l’ordre de 25%, voire 30% avec les meilleurs équipements actuels.

Le stockage par batterie par opposition, présente quant à elle un rendement de conversion d’environ 70 %. Par conséquent, lorsque cela est techniquement et économiquement possible, et dans l’intérêt de l’efficacité énergétique, les chaînes de stockage par batterie doivent être privilégiées.

Les différents électrolyseurs et leurs fonctionnements

Point historique
L’idée d’utiliser l’électricité pour séparer l’eau en hydrogène et oxygène a été découverte pour la première fois par le chimiste Sir Humphrey Davey en 1839.

L’électrolyse consiste à séparer les molécules d’eau, constituées de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène, à travers un courant électrique.

Électrolyseur alcalin

La première électrolyse a été une électrolyse alcalin et a eu lieu le 2 mai 1800. Cette donnée vient confirmer la maturité technologique de l’électrolyseur alcaline vis-à-vis des autres électrolyseurs. À cela, s’ajoutent des coûts plus faibles en raison de la non-utilisation de métaux précieux comme c’est le cas avec la technologie PEM. Le système alcalin offre également à ce jour un léger avantage en termes de performance énergétique, puisqu’il faut entre 51 et 62 kWh d’électricité pour produire un kilogramme d’hydrogène.

L’électrolyse alcaline présente toutefois un inconvénient : son inertie, qui la rend difficile à coupler avec une énergie intermittente, élément caractéristique des énergies renouvelables.

Électrolyseur PEM ( Proton Exchange Membrane )

La principale différence entre les autres procédés électrolytiques et la technologie PEM (appelée aussi électrolyseurs à membranes échangeuses de protons), est qu’elle utilise une membrane polymère qui a le rôle de séparateur de gaz et d’électrolyte. Bien que légèrement plus énergivore à l’heure actuelle, cette technologie présente un atout non-indéniable en raison de sa flexibilité lui permettant de moduler la consommation d’électricité en fonction des fluctuations, caractérisant les sources d’énergies renouvelables.

Il est théoriquement possible d’adapter la consommation électrique de ces électrolyseurs aux variations de production, parfois rapides, caractérisant les sources d’énergies renouvelables.

Électrolyseur à haute température (EHT)

Cette technologie se singularise par sa faible consommation d’énergie, mais ses performances en termes de réactivité et de flexibilité de fonctionnement restent relativement limitées.

En revanche, l’EHT permet grâce à sa haute température (700 à 900 °C) de substituer une partie de l’énergie électrique requise à la dissociation de la molécule d’eau par de l’énergie thermique, ce qui lui confère un rendement supérieur comparé aux autres technologies d’électrolyseur. De plus, cette technologie a l’avantage d’être réversible, elle permet de produire de l’électricité et de la chaleur à partir d’un combustible, en évitant de faire entrer de la vapeur pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène, autrement dit, l’électrolyseur peut se convertir en pile à combustible.

Comparatif des différentes technologies d’électrolyseurs

comparatif electrolyseur
Source: Société chimique de France

Le procédé power to gas d’Arkolia Énergies

Arkolia Energies propose un procédé power-to-gas avec une approche complète de la production de l’électricité renouvelable jusqu’à l’injection de méthane de synthèse (power-to-méthane). Cette solution fait appel à une technologie de méthanation biologique développée dans les laboratoires d’Arkolia Energies.

power to gas arkolia energies
Schéma du modèle Power to méthane d’Arkolia Energies

Le CO2 utilisé dans le procédé d’Arkolia Energies peut être issu de sources très distinctes, par exemple :

  • Extracteur CO2 atmosphérique : ce qui peut permet de positionner l’installation de power-to-méthane toujours à proximité de la source d’électricité renouvelable.
  • Méthanisation : la méthanisation produit un biogaz composé essentiellement de CH4 et CO2 (≃ 50% pour chaque gaz). Seule la fraction correspondante au méthane peut être injectée dans le réseau de gaz, c’est ce qu’on appelle le biométhane. La construction d’une unité power-to-méthane à proximité de la méthanisation permet la valorisation de ce CO2 biogénique. En outre la valorisation de CO2, la combination méthanation biologique – méthanisation permet d’explorer les synergies entre les deux procédés, plus particulièrement en termes de rendements énergétiques et de bilans hydriques.

Arkolia Energies a pour objectif d’être le premier opérateur de taille industrielle à construire une unité de méthanation en milieu agricole, afin de valoriser en injection réseau, après conversion en CH4, le CO2 biogénique émis par une unité de méthanisation agricole. C’est dans ce sens-là que l’entreprise développe, entre autres, le projet OCCI-BIOME en partenariat avec la société de méthanisation Ariège Biométhane, qui vise l’implantation d’une installation power-to-méthane à partir de l’année 2024.

Pourquoi le power to gas est-il si important ?

La loi sur l’énergie et le climat fixe un objectif de neutralité carbone d’ici à 2050. L’une des valeurs ajoutées du power to gas est qu’il permet de capter et de récupérer le CO2 en le recyclant par le biais de la méthanation.

Il permet d’optimiser l’ensemble du système énergétique en traitant l’excédent d’électricité renouvelable (par rapport à la demande) qui est difficile à stocker en grandes quantités pendant une longue période. L’énergie récupérée peut être stockée et utilisée directement comme gaz naturel ou reconvertie en électricité si nécessaire, ce qui permet une véritable synergie entre les deux sources d’énergie que sont l’électricité et le gaz en assurant un stockage inter-saisonnier, c’est-à-dire à long terme.

Cela contribuerait également à réduire notre dépendance aux combustibles fossiles en fournissant des sources d’énergie plus propres qui ne s’épuisent pas rapidement. Le power-to-gas remplit les conditions pour devenir une technologie indispensable dans un avenir où les énergies renouvelables jouent un rôle primordial dans la production et la consommation d’énergie.

Source: ADEME, Questions d’Energie, Société Chimique de France

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