Projet "move" de l'Empa : Des énergies renouvelables aux carburants synthétiques

Projet Empa : des carburants synthétiques à partir d’énergies renouvelables

Produits de manière durable, les carburants synthétiques contribuent, selon le « moteur de l'innovation » suisse Empa, à faire évoluer la mobilité vers les énergies renouvelables afin d’atteindre les objectifs climatiques fixés pour le transport routier. Les carburants synthétiques conviennent aussi bien au transport intensif qu’au transport sur de longues distances. Ces carburants, appelés « Synfuel » ou « Syngas » constituent, avec la mobilité électrique et l’hydrogène, une des trois possibilités technologiques capable de réduire les émissions de CO2 dans la plateforme de démonstration de mobilité « move ». Le nouveau projet concerne la production de méthane synthétique à partir d’hydrogène et de CO2. Selon l’Empa, ces carburants produits peuvent être « transportés par les méthodes traditionnelles et mis à disposition par les infrastructures existantes, ce qui est intéressant pour la Suisse, comme pour le monde entier, car cela ouvre un énorme potentiel pour les énergies renouvelables ». La plateforme de démonstration de mobilité devrait permettre de produire 3,6 kg/h de méthane. En comparaison : la taille du réservoir d’une voiture de tourisme fonctionnant au gaz naturel (GNC) est normalement de 80 litres, ce qui correspond à 13,5 kg de GNC ou environ 20 l d’essence. Selon le véhicule, ceci correspond à une autonomie de 50 à 200 km. En fonctionnant 24 heures sur 24, la plateforme de démonstration de mobilité produirait du carburant pour environ 2000 km. Le capteur de point de rosée Optidew401 de PST joue un rôle significatif dans la production de méthane synthétique.

La méthanisation traditionnelle

Dans le processus traditionnel, le dioxyde de carbone (CO2) et l’hydrogène (H2) sont transformés par catalyse en méthane (CH4) et en eau (H2O). Cependant, plusieurs étapes de méthanisation successives sont nécessaires pour atteindre une pureté suffisante, avec des zones de condensation entre elles et un processus de séchage du produit. Le produit gazeux de la réaction de méthanisation contient principalement de l’eau et des gaz qui n’ont pas réagi, ce qui, selon le règlement en vigueur, empêche l’injection directe dans le réseau de gaz; le produit doit au préalable être purifié.

Méthanisation innovatrice « à sorption renforcée »

La méthanisation innovatrice dans le « move » peut, par contre, fonctionner en une seule étape et atteindre les conditions nécessaires à l’injection directe sans autre nettoyage du gaz produit. L’idée sous-jacente est la suivante : l'eau de réaction est adsorbée sur un support catalytique poreux, une zéolithe, pendant le processus de méthanisation, c'est-à-dire qu'elle est retirée du processus de réaction. Cette extraction permanente d’eau décale l’équilibre de la réaction vers un rendement de méthane proche de 100%. Le produit gazeux peut donc être, selon l’Empa, directement injecté sans purification supplémentaire dans le réseau de gaz, et être utilisé, par exemple, pour remplir les réservoirs des véhicules fonctionnant au gaz.

Le méthane issu de l’énergie solaire

Le CO2 pour la méthanisation, ainsi que l’eau pour la production d’hydrogène, sont prélevés directement dans l’atmosphère, sur place, grâce à un collecteur de CO2 de la spin-off Climeworks de l’ETH. Le dispositif aspire l’air ambiant et les molécules de CO2 restent piégées par le matériau du filtre. Les molécules de CO2 sont ensuite extraites du filtre par la chaleur (environ100°C). En plus du CO2 , le dispositif Climeworks extrait également l’eau de l'air ambiant, celle-ci peut être utilisée par une canalisation de condensat pour la production d’hydrogène dans l’installation d’électrolyse. De telles installations sont donc également envisageables dans des régions dépourvues d’approvisionnement en eau.

Optimisation des équipements avec Optidew 401

Selon Florian Kiefer du Vehicle Energy Technologies Group de l’Empa, le point de rosée est calculé à différentes positions avec l’Optidew 401 de Rotronic dans ce processus de méthanisation. Nous planifions, de plus, l’utilisation de capteurs plus robustes pour le point de rosée et le CO2 pour la commande et la régulation du système de méthanisation au sein de notre projet « move-MEGA ». Florian Kiefer explique que le miroir à point de rosée est utilisé actuellement dans les essais préliminaires en raison de sa flexibilité et de sa précision. Dans le système, celui-ci peut et doit être remplacé par un capteur industriel (tel que le Easidew I.S. de Michell). Ce capteur peut être sélectionné et optimisé grâce aux connaissances acquises lors des essais préliminaires. D’autres capteurs sont encore potentiellement possibles dans le système, notamment des capteurs de CO2 pour sa régulation ou un chromatographe en phase gazeuse pour le contrôle de la qualité lors de l’injection. Jusqu’à présent, « Optidew401 » était utilisé pour le miroir à point de rosée en remplacement d’un appareil défectueux. Florian Kiefer souligne la simplicité de son acquisition, dans un premier temps en tant qu’appareil de location pour compenser le délai de livraison.

Dans les années à venir, Florian Kiefer considère le développement de solutions dans le domaine du « power-to-gas » ou des fluides, en collaboration avec des partenaires industriels, comme une priorité importante du groupe de recherche. En outre, le groupe s’occupe déjà du développement de technologies visant à atteindre des émissions négatives, toujours avec « pour objectif les applications industrielles, l’évolutivité et la flexibilité de fonctionnement, en interaction avec les énergies renouvelables ».

Utilisation future possible

Au sujet de l’Empa

En tant qu’institut de recherche interdisciplinaire du Domaine des EPF pour les sciences des matériaux et la technologie, l’Empa se considère comme une passerelle entre la recherche et les applications pratiques. Les chercheurs élaborent des solutions innovatrices pour répondre aux défis majeurs de l’industrie et de la société dans les domaines des matériaux et des surfaces nanostructurés « intelligents », des technologies de l’énergie, de la construction et de l’environnement, de l’efficacité des ressources ainsi que de la technologie médicale et la médecine personnalisée. Grâce à un transfert de technologie aussi direct et efficace que possible, et en collaboration avec des partenaires industriels, nous transformons les résultats de la recherche des laboratoires de l’Empa en des innovations pouvant être commercialisées. L’Empa apporte ainsi une contribution importante au renforcement de la capacité innovatrice et de la compétitivité de l’économie suisse, dans un environnement global de plus en plus compétitif

Au sujet du Dr.-Ing. Florian Kiefer

Florian Kiefer possède un diplôme de l’université technique de Munich en génie mécanique, avec une spécialisation en énergie et en technologie de processus, et a obtenu son doctorat au département de thermodynamique. Il est actuellement responsable pour l’industrialisation d’un système de conversion de l’énergie en gaz dans le cadre de la plateforme de démonstration « move » de l’Empa pour la mobilité future. Il a acquis de l’expérience dans le domaine de l’énergie et de l’ingénierie des processus à l’Institut Fraunhofer ISE et chez Fichtner Consulting, ainsi que dans différents projets d’ingénierie à l’Université technique de Munich et à l’Empa. Ces projets concernent notamment la technologie des centrales thermiques, les énergies renouvelables, le traitement de l’eau et les systèmes de réacteurs catalytiques.