La synergie des gaz verts

Les gaz verts sont une solu­tion pour gag­n­er en autonomie, avec un poten­tiel théorique estimé allant jusqu’à 460 TWh, à con­di­tion de déploy­er toutes les tech­nolo­gies. Retour sur une étude du Club Biogaz Atee qui mon­tre des Syn­er­gies pos­si­bles entre les tech­niques de pro­duc­tion de biométhane.

L’asso­ci­a­tion Biogaz Val­lée vient d’annoncer un ren­force­ment de son tra­vail de ter­rain sur tous les secteurs des gaz verts, une pro­duc­tion vitale aujourd’hui pour gag­n­er en autonomie énergé­tique grâce à leur pro­duc­tion locale. De son côté, dans une étude inti­t­ulée « Gaz Vert ren­forçons nos syn­er­gies », le club Biogaz Atee avait mon­tré il y a deux ans l’intérêt de met­tre toutes les tech­niques de pro­duc­tion de gaz verts pour se tourn­er vers un objec­tif de décar­bon­a­tion : méthani­sa­tion, gazéi­fi­ca­tion hydrother­male, pyrogazéi­fi­ca­tion, pow­er-to-gas avec la métha­na­tion. Ces fil­ières com­plé­men­taires seront la clé de l’élaboration d’un nou­veau mod­èle de pro­duc­tion locale et durable de gaz renou­ve­lable et bas car­bone et leur alliance pour­rait per­me­t­tre d’atteindre un mix 100 % gaz verts dans les réseaux à l’horizon 2050. Les 3 clubs « Gaz Verts » de l’ATEE ont donc engagé une réflex­ion com­mune afin de for­muler les con­di­tions d’un développe­ment opti­misé de ces fil­ières, notam­ment via l’identification des com­plé­men­tar­ités et des syn­er­gies décrites dans cette étude. 

Autonomie et bas carbone

La val­ori­sa­tion des déchets en énergie et en engrais, le bilan car­bone de ces biogaz et l’économie locale qu’il engen­dre devraient faire des biogaz une pri­or­ité d’action pour le gou­verne­ment. Le développe­ment con­joint des dif­férentes fil­ières de pro­duc­tion de ces gaz renou­ve­lables (méthani­sa­tion, pyrogazéi­fi­ca­tion, pow­er-to-gas ou encore gazéi­fi­ca­tion hydrother­male) vient en réponse à l’urgente néces­sité de décar­bon­er nos con­som­ma­tions énergé­tiques, de nous affranchir des éner­gies fos­siles et de gag­n­er en autonomie énergétique.

Ces modes de pro­duc­tion val­orisent des ressources ter­ri­to­ri­ales disponibles au plus près des besoins, font émerg­er de nou­veaux mod­èles d’économie cir­cu­laire et per­me­t­traient d’atteindre 20 % de gaz verts dans les réseaux à l’horizon 2030 et la neu­tral­ité car­bone en 2050. À la sor­tie de la crise san­i­taire actuelle, les fil­ières gaz verts con­stituent ain­si un atout majeur pour notre économie : au-delà des emplois créés et de leur répar­ti­tion sur les ter­ri­toires, elles sont un moyen de con­solid­er notre sys­tème énergé­tique, sa sécu­rité, sa sou­p­lesse et son indépen­dance vis-à-vis des aléas de la con­jonc­ture. Les tech­nolo­gies de pro­duc­tion de gaz renou­ve­lables et bas car­bone sont var­iées et s’appuient sur des fil­ières indus­trielles com­plé­men­taires, présen­tant des stades de développe­ment dif­férents. Les prin­ci­paux flux de matières et d’énergies en jeu sont représen­tés dans le sché­ma ci-dessous :

Pro­duire du biogaz

Pro­duire 320 TWh de méthane renou­ve­lable en 2050 et attein­dre ain­si l’autonomie énergé­tique en biogaz en créant une économie locale ? D’après les études et les scé­nar­ios de l’ADEME, de Sola­gro, de France stratégie et d’Enea, c’est pos­si­ble. À con­di­tion de mobilis­er un poten­tiel max­i­mum de ressources en déploy­ant les grandes tech­niques de pro­duc­tion de bio­méthane : la méthani­sa­tion, la pyrogazéi­fi­ca­tion, la gazéi­fi­ca­tion hydrother­male et la métha­na­tion. Même s’il existe un chevauche­ment du gise­ment entre ces tech­nolo­gies, leur déploiement per­met non seule­ment la pro­duc­tion d’énergie, mais aus­si une ges­tion de ce que nous appe­lions les déchets car­bonés (organiques et plas­tiques) et qu’il faut désor­mais appel­er ressources. En faisant cela, nous dévelop­pons en plus une économie cir­cu­laire non délo­cal­is­able. En com­plé­ment d’une pro­duc­tion élec­trique nucléaire et renou­ve­lable, cette pro­duc­tion pré­fig­ure le paysage énergé­tique de demain et donc la nou­velle économie car l’énergie est le cœur de toutes activités.

Fil­ières de gaz renouvelable

Les qua­tre tech­niques précédem­ment men­tion­nées sont util­isées pour pro­duire du bio­méthane poten­tielle­ment injectable. Ces tech­niques sont assez com­plé­men­taires avec toute­fois un chevauche­ment par­tiel du gise­ment notam­ment entre méthani­sa­tion et gazéi­fi­ca­tion. Le poten­tiel varie selon dif­férentes études, avec des chiffres d’utilisation « théoriques » de 100 % du gise­ment et d’autres, peut-être plus prag­ma­tiques, d’utilisation réelle « facile » à met­tre en œuvre. 

Une étude ADEME parue en 2018 et réal­isée par Sola­gro analy­sait les con­di­tions de fais­abil­ité tech­ni­co-économique d’un sys­tème gazier basé à 100 % sur du gaz renou­ve­lable à hori­zon 2050 en pro­posant dif­férents scé­nar­ios de développe­ment s’appuyant sur les ressources « pri­maires » (non-trans­for­mées) disponibles dans nos ter­ri­toires et sur les per­spec­tives de baisse de con­som­ma­tion de gaz à hori­zon 2050. En prenant en compte les ren­de­ments de con­ver­sion, le poten­tiel théorique de ressources pri­maires iden­ti­fié pour­rait pro­duire jusqu’à 460 TWh de gaz renou­ve­lable injectable :

- 0 % pour­raient être four­nis avec la fil­ière mature de méthani­sa­tion, qui per­met de con­ver­tir les intrants d’origine agri­cole, les biodéchets et les résidus d’algues pour pro­duire jusqu’à 140 TWh de gaz ;

- 0 % pour­raient être four­nis par la fil­ière pyrogazéi­fi­ca­tion sur le bois et ses dérivés, les com­bustibles solides de récupéra­tion (CSR) et une faible frac­tion de résidus agri­coles, pour pro­duire jusqu’à 180 TWh de gaz ;

- 0 % pour­raient être four­nis par le pow­er-to-gas dans le con­texte d’un mix élec­trique 100 % renou­ve­lable visant à max­imiser la pro­duc­tion de gaz de syn­thèse, soit 140 TWh de gaz.

Toute­fois, d’autres études min­imisent ces poten­tiels sur des fourchettes bass­es avec un poten­tiel en 2050 de 130 TWh pour la méthani­sa­tion, de 90 TWh pour la pyrogazéi­fi­ca­tion et de 60 TWh pour la gazéi­fi­ca­tion hydrother­male. Avec le CO₂ et l’H₂ (pro­duits par l’électricité renou­ve­lable ou nucléaire), la métha­na­tion con­stitue la qua­trième source de pro­duc­tion de biogaz avec une pro­duc­tion poten­tielle estimée à 50 TWh en 2050. Des inter­ac­tions sur le gise­ment, des pro­duc­tions d’hydrogène à par­tir de bio­masse et des dif­fi­cultés d’accès à cer­taines ressources peu­vent en effet lim­iter le poten­tiel. Mais celui-ci demeure toute­fois très impor­tant, puisqu’on atteint les 330 TWh, soit les deux tiers de notre con­som­ma­tion actuelle de gaz fossile !

Les techniques 

La méthani­sa­tion

La méthani­sa­tion est un mode de trans­for­ma­tion de la matière organique en énergie (biogaz) et fer­til­isant (dige­s­tat). C’est une tech­nolo­gie basée sur la dégra­da­tion de la matière organique par des micro-organ­ismes, en con­di­tions con­trôlées et en l’absence d’oxygène. Les matières traitées sont prin­ci­pale­ment issues de l’agriculture, mais il peut aus­si s’agir de déchets de l’industrie agro-ali­men­taire, de déchets organiques des col­lec­tiv­ités ou des sta­tions d’épuration. Le biogaz peut être val­orisé sur place en chaleur, en élec­tric­ité (avec cogénéra­tion de chaleur), ou épuré en bio­méthane util­is­able comme du gaz naturel dans l’industrie, le rési­den­tiel ou la mobil­ité (bioGNV).

La pyrogazéi­fi­ca­tion

La pyrogazéi­fi­ca­tion est un traite­ment ther­mochim­ique qui per­met, en absence ou défaut d’oxygène et à haute tem­péra­ture (entre 400 et 1500 °C), de con­ver­tir des matières organiques rel­a­tive­ment sèch­es (bio­mass­es ligneuses — con­nex­es de sci­eries, bois en fin de vie, résidus de cul­tures, etc.) mais aus­si des déchets divers (Com­bustibles Solides de Récupéra­tion, pneus usagés, boues de sta­tions d’épurations séchées, etc.) en com­posés énergé­tiques, qui se présen­tent selon les procédés sous forme solide, liq­uide ou gazeuse (gaz de syn­thèse ou syn­gaz com­posé prin­ci­pale­ment d’H₂, CO, CO₂ et CH₄), mais aus­si en biochar util­is­able pour un retour au sol. Cette con­ver­sion de la matière en com­posés énergé­tiques ouvre la voie à une mul­ti­tude de modes de val­ori­sa­tion : pro­duc­tion de chaleur, d’électricité, de gaz ou de car­bu­rants de syn­thèse renou­ve­lables. Elle s’appuie sur les procédés de pyrol­yse et de gazéi­fi­ca­tion qui imi­tent en accéléré le procédé à l’origine de la for­ma­tion des éner­gies fossiles.

Gazéi­fi­ca­tion hydrothermale

La gazéi­fi­ca­tion hydrother­male (GH) est un procédé de con­ver­sion ther­mochim­ique à haute pres­sion (210 à 350 bars) et haute tem­péra­ture (360 à 700 °C) s’adressant tout par­ti­c­ulière­ment à des déchets organiques humides. Cette con­ver­sion ther­mochim­ique fonc­tionne en lim­ite des phas­es liq­uide et gaz autour du point cri­tique de l’eau (221 bars et 374 °C). L’eau devient alors un solvant (sépa­ra­tion des solides) et est réac­tive (H₂ se décroche plus facile­ment). Deux tech­niques sont alors util­isées : la catal­yse à 210 à 300 bars, 360 à 400 °C, ou la haute tem­péra­ture : 250 à 350 bars, 550 à 700 °C. Le tout per­met un ren­de­ment énergé­tique glob­al élevé de 75 à 90 %. Avan­tages, la GH per­met de traiter de nom­breux déchets de bio­masse en détru­isant les com­posants nuis­i­bles (virus, pathogènes…), en préser­vant au max­i­mum les ressources val­oris­ables tout en réduisant au strict min­i­mum la quan­tité des déchets ultimes (métaux, métaux lourds, inertes). Elle est aus­si capa­ble de pro­duire un gaz de syn­thèse riche en méthane (40 à 70 %), en hydrogène (5 à 30 %) et CO₂ (20 à 30 %) et de récupér­er la qua­si-total­ité du con­tenu ini­tial de l’intrant en eau, en sels minéraux (phos­pho­re, potas­si­um…) et en azote pou­vant être trans­for­més en fer­til­isants (N, P, K). 

Le pow­er-to-gas

Le « power‑to‑gas » con­siste à con­ver­tir de l’électricité d’origine renou­ve­lable (pho­to­voltaïque, éolien, etc.) ou bas car­bone, en hydrogène, par élec­trol­yse de l’eau. Cet hydrogène peut alors être con­som­mé locale­ment, avec ou sans stock­age inter­mé­di­aire, dans dif­férents secteurs (mobilité/transport, résidentiel/tertiaire, indus­trie), ou injec­té en mélange dans les infra­struc­tures de gaz. Cet hydrogène peut égale­ment être con­ver­ti en méthane (CH₄) par une étape de métha­na­tion puis injec­té dans les réseaux. Com­plé­men­taire aux usages directs, l’injection de cet hydrogène, en mélange avec le gaz naturel ou après métha­na­tion, dans les infra­struc­tures de gaz apporte un levi­er com­plé­men­taire à la décar­bon­a­tion des usages du gaz et con­stitue un out­il effi­cace de flex­i­bil­ité des sys­tèmes électriques.

Les synergies

Les moyens de pro­duc­tion de gaz renou­ve­lables dévelop­pés aujourd’hui s’appuient sur des ressources et des tech­nolo­gies var­iées, per­me­t­tant ain­si d’envisager des com­plé­men­tar­ités et des syn­er­gies entre les filières.

Au‑delà de la mutu­al­i­sa­tion des équipements néces­saires à l’injection de ces gaz dans les infra­struc­tures exis­tantes (rac­corde­ment et exten­sion du réseau, con­trôle de la qual­ité du gaz, com­pres­sion, odor­i­sa­tion, comp­tage…), des syn­er­gies exis­tent au sein même de ces tech­nolo­gies. En effet, la recherche de cou­plage entre ces procédés biologiques, élec­trochim­iques et ther­mochim­iques per­met d’identifier des voies d’optimisation max­imisant les per­for­mances et mutu­al­isant les coûts. Pour infor­ma­tion, nous n’évoquons pas ici les nou­velles tech­nolo­gies de pro­duc­tion d’hydrogène à par­tir de matières organiques. D’autres syn­er­gies pour­raient aus­si naître entre toutes ces tech­nolo­gies pour dessin­er notre futur mix énergé­tique de pro­duc­tions de biogaz local.

Méthani­sa­tion et pyrogazéification

Alors que la méthani­sa­tion s’appuie sur une val­ori­sa­tion des matières biologiques fer­mentesci­bles, notam­ment issues de l’agriculture, la fil­ière pyrogazéi­fi­ca­tion val­orise quant à elle des bio­mass­es ligneuses non fer­mentesci­bles. Cette com­plé­men­tar­ité sur les ressources agri­coles per­met d’optimiser leur util­i­sa­tion pour pro­duire du gaz et s’affranchir de tout risque de con­cur­rence entre les fil­ières. Si le retour au sol du dige­s­tat est con­traint, la gazéi­fi­ca­tion peut présen­ter une alter­na­tive intéres­sante. En effet, même si le retour au sol des sous-pro­duits issus de la méthani­sa­tion est à priv­ilégi­er, la gazéi­fi­ca­tion hydrother­male, tech­nolo­gie de con­ver­sion de bio­mass­es humides, per­met le traite­ment de résidus et de déchets organiques (boues de sta­tions d’épuration, diges­tats de méthani­sa­tion, efflu­ents d’élevage, résidus et copro­duits des indus­tries agroal­i­men­taires, etc.).

Méthani­sa­tion et power-to-gas 

Ce cou­plage per­me­t­trait de boost­er la pro­duc­tion de méthane en max­imisant l’efficacité glob­ale des réac­tions mis­es en œuvre. Le diges­teur est ici util­isé comme un réac­teur de métha­na­tion biologique. Ce cou­plage per­met égale­ment de réduire les émis­sions de CO₂ biogénique car celui-ci est trans­for­mé en méthane par asso­ci­a­tion avec l’hydrogène.

Le proces­sus de méthani­sa­tion de matière organique pro­duit un gaz riche en méthane et en CO₂. Pour le ren­dre com­pat­i­ble avec l’injection dans les réseaux, il est alors néces­saire de l’épurer pour en isol­er le méthane. Ce CO₂, d’origine biogénique peut, quant à lui, égale­ment être val­orisé par com­bi­nai­son avec de l’hydrogène pour for­mer du méthane grâce une étape de métha­na­tion. Le cou­plage d’un méthaniseur avec un élec­trol­y­seur per­met alors de max­imiser le vol­ume de gaz pro­duit et de val­oris­er le CO₂ qui est sinon rejeté dans l’atmosphère. Par ailleurs, la chaleur issue du procédé de métha­na­tion cat­aly­tique peut être util­isée pour main­tenir les diges­teurs à leur tem­péra­ture opti­male (sou­vent 35 à 40 °C).

Pyrogazéi­fi­ca­tion et power-to-gas

Les fil­ières de pro­duc­tion de gaz renou­ve­lables par pyrogazéi­fi­ca­tion et de pow­er-to-methane s’appuient sur une brique tech­nologique com­mune : la métha­na­tion. Cette étape de métha­na­tion, réal­isée par voie cat­aly­tique ou biologique, est une réac­tion de syn­thèse du méthane (CH₄) réal­isée à par­tir de dihy­drogène (H₂) et de monoxyde de car­bone (CO) ou de dioxyde de car­bone (CO₂). Cette syn­ergie per­met de mutu­alis­er les travaux de recherche et de développe­ment de cette tech­nolo­gie et d’en dimin­uer le coût par un effet sur les vol­umes. Il est aus­si pos­si­ble d’introduire en métha­na­tion biologique des bac­téries actives en méthanisation. 

La réac­tion d’électrolyse de l’eau, tech­nolo­gie sur laque­lle s’appuie le principe du pow­er-to-gas, pro­duit de l’hydrogène mais égale­ment de l’oxygène. Cet oxygène peut être util­isé comme agent gazéi­fi­ant (en rem­place­ment de l’air) afin de max­imiser la con­ver­sion de la matière car­bonée en un gaz de syn­thèse à haut pou­voir calori­fique puis, via une étape de métha­na­tion du syn­gaz, de méthane. Le gaz de syn­thèse ain­si pro­duit ne con­tient pas d’azote (com­posé neu­tre et majori­taire de l’air), lim­i­tant ain­si les besoins de purifi­ca­tion et de sépa­ra­tion des gaz en sor­tie de gazéifieur.