Objectif climatique avec le carburant solaire

Les analyses de mobilité le montrent : Seule une petite partie de tous les véhicules est responsable de la majeure partie des kilomètres parcourus. Il s'agit avant tout du trafic lourd, des conducteurs qui parcourent de longues distances et qui transportent leurs marchandises à travers toute l'Europe. Si ces nombreux kilomètres continuent d'être parcourus avec des énergies fossiles, il ne sera guère possible de réduire suffisamment les émissions de CO2 dans le trafic routier. Les carburants synthétiques apportent une contribution essentielle à de telles applications.

Avec l'électromobilité, la mobilité à l'hydrogène et les carburants synthétiques, le démonstrateur de mobilité "move" de l'Empa étudie trois voies technologiques pour réduire les émissions de CO2 dans le trafic routier, dans le contexte d'un système énergétique en profonde mutation. "Tous ces concepts présentent des avantages et des inconvénients sur le plan énergétique, opérationnel et économique. Pour les utiliser correctement, il faut une compréhension approfondie de l'ensemble du système", explique Christian Bach, directeur du département Systèmes de propulsion des véhicules de l'Empa. "En collaboration avec les partenaires de 'move', nous élaborons à cet effet des connaissances applicables".

Le dernier projet en date porte sur la production de méthane synthétique à partir d'hydrogène et de CO2 - ce que l'on appelle la méthanisation. De tels carburants produits artificiellement à partir d'énergie renouvelable - appelés synfuel ou syngas - peuvent être transportés par les voies traditionnelles et mis à disposition par l'infrastructure existante, ce qui est intéressant pour la Suisse comme pour le monde entier, car cela ouvre un énorme potentiel d'énergie renouvelable.

Procédé de méthanisation développé à l'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 "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 technique permettra de simplifier la conduite du processus, d'augmenter son efficacité et de le rendre plus adapté à un fonctionnement dynamique.

La méthanisation fonctionne de la manière suivante : Le dioxyde de carbone (CO2) et l'hydrogène (H2) sont transformés par catalyse en méthane (CH4) et en eau (H2O). Ce dernier point pose problème dans les procédés traditionnels : pour séparer l'eau, il faut typiquement plusieurs étapes de méthanisation successives - avec des zones de condensation entre elles. En raison des températures élevées, une partie de l'eau produite est en outre retransformée en hydrogène par la réaction de transfert de gaz à l'eau. Le produit gazeux de la réaction de méthanisation contient donc quelques pour cent d'hydrogène, ce qui empêche une injection directe dans le réseau de gaz ; l'hydrogène doit d'abord être à nouveau séparé.

La méthanisation renforcée par sorption dans le "move" se déroule en revanche en une seule étape et ne nécessite pas de séparation de l'hydrogène dans le gaz produit. L'idée est la suivante : L'eau de réaction est adsorbée sur un support catalytique poreux pendant le processus de méthanisation. Ce retrait continu de l'eau déplace l'équilibre de la réaction vers un rendement de méthane de presque 100 pour cent. "Le produit gazeux peut donc être injecté directement dans le réseau de gaz sans purification supplémentaire et être utilisé par exemple pour le ravitaillement des véhicules à gaz", explique Bach.

Dioxyde de carbone et eau de l'air ambiant

Le CO2 pour la méthanisation ainsi que l'eau pour la production d'hydrogène sont prélevés dans l'atmosphère directement sur place grâce à un collecteur de CO2 de la spin-off Climeworks de l'ETH. L'installation aspire l'air ambiant, les molécules de CO2 restent alors accrochées au matériau filtrant. Les molécules de CO2 sont ensuite détachées du filtre par la chaleur (environ 100°C). Les chercheurs de l'Empa voient un potentiel d'optimisation supplémentaire dans le besoin de chaleur pour cette désorption du CO2. "La production d'hydrogène et la méthanisation génèrent continuellement de la chaleur perdue", explique Bach. "Grâce à une gestion intelligente de la chaleur, nous voulons couvrir la plus grande partie possible des besoins en chaleur du capteur de CO2 avec cette chaleur perdue". Outre le CO2, l'installation Climeworks extrait également de l'eau de l'air, qui est utilisée via une conduite de condensat pour la production d'hydrogène dans l'installation d'électrolyse. De telles installations sont donc également envisageables dans des régions sans approvisionnement en eau, par exemple dans les déserts (voir encadré).

Outre de nouvelles connaissances sur les aspects techniques et énergétiques, le projet a également pour objectif de se prononcer sur la rentabilité du méthane synthétique. "Pour assurer cette perspective globale, le consortium du projet est composé de partenaires qui couvrent toute la chaîne de création de valeur - des chercheurs de l'Empa aux partenaires industriels dans le domaine de la technologie et des installations, en passant par les fournisseurs d'énergie, les exploitants de stations-service et de parcs de véhicules", 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.

Actuellement, l'équipe de Christian Bach se concentre sur l'étude de l'adsorption de l'eau sur les matériaux poreux et sur la conduite du processus de la réaction catalytique. Le montage de l'installation est prévu pour le milieu de l'année prochaine. "Environ un an plus tard, nous voulons faire le plein du premier véhicule", estime Buchmann. "Avec du méthane issu de l'énergie solaire".

Des carburants synthétiques issus du désert ?

Le passage de notre système énergétique aux énergies renouvelables présente un défi de taille : les sources renouvelables telles que le soleil ou le vent ne sont pas toujours et partout disponibles. Nous avons trop peu d'électricité renouvelable en hiver et trop en été - dans l'hémisphère nord. Dans l'hémisphère sud, c'est l'inverse. Mais il existe aussi des régions où l'ensoleillement est presque continu - ce que l'on appelle la ceinture solaire, où se trouvent les grands déserts de la Terre. "D'un point de vue global, nous ne manquons pas d'énergie renouvelable dans le monde, mais "simplement" d'un problème de transport de l'énergie", explique Christian Bach. Les sources d'énergie synthétiques pourraient résoudre ce problème.

En Suisse, les petites installations peuvent apporter une contribution précieuse au système énergétique national en rendant utilisable l'électricité excédentaire produite en été et en reliant différents secteurs énergétiques. Mais les grandes installations pourraient surtout exploiter leur plein potentiel dans la ceinture solaire de la Terre. Un exemple de calcul le montre : pour couvrir les besoins énergétiques de la Suisse non couverts par l'énergie hydraulique pendant le semestre d'hiver ainsi que l'ensemble du trafic intérieur à longue distance exclusivement avec des sources d'énergie synthétiques (importées), il faudrait une installation solaire dans un désert d'une superficie d'environ 700 km2 ; cela représente 27 x 27 km ou, autrement dit, 0,008% de la superficie du Sahara. L'eau et le CO2 nécessaires à la production pourraient être extraits de l'atmosphère sur place. "Les mécanismes commerciaux, les infrastructures de transport, les normes et les connaissances d'experts déjà existants pourraient être réutilisés à cet effet", estime Bach. L'installation du "move" pourrait-elle donc bientôt servir de modèle pour une installation d'un gigawatt dans le désert ?

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