Qu’est-ce que le Power-to-Gas ?

Un extrait de Le Power-to-Gas – Technologies, enjeux et perspectives, par Florent BRISSAUD

En Europe, 143 sites de Power-to-Gas en opération ont été recensés en août 2022, pour une capacité totale de 162 MWe, soit presque le double (en capacité) qu’en 2019. Dans son scénario « Net Zero Emissions », l’Agence internationale de l’énergie mise sur une capacité mondiale de Power-to-Gas de 720 GWe pour 2050 (soit plus de 10 fois le parc nucléaire français actuel). La Programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) de la France a fixé en 2017 l’objectif d’installer 10 à 100 démonstrateurs de Power-to-Gas d’une capacité minimale de 1 Mwe, et vise aussi 10 % de gaz renouvelable dans le mix gazier d’ici à 2028. Dans le plan d’investissement « France 2030 », la France s’est donné comme objectif de « devenir le leader de l’hydrogène vert et des énergies renouvelables en 2030 ». 2,3 milliards d’euros ont été alloués à cet objectif, notamment pour se donner « l’ambition de pouvoir compter sur son sol au moins deux “giga-factories” d’électrolyseurs et l’ensemble des technologies nécessaires à l’utilisation de l’hydrogène ». Entre 2020 et 2022, les différentes décisions gouvernementales ont fait monter à 9 milliards le montant total des projets d’investissement pour la filière hydrogène en France.

Électrolyse, et méthanation si affinités

Le Power-to-Gas repose en premier lieu sur l’électrolyse, produisant de l’hydrogène (Power-to-H2) à partir d’électricité et d’eau. L’électrolyseur alcalin est la technologie la plus ancienne et la plus mature (industrialisée dès les années 1920). L’électrolyse se produit en milieu basique. Un électrolyseur alcalin utilise un électrolyte (substance conductrice de courant) liquide, qui est une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium ou d’hydroxyde de sodium. Cet électrolyte va circuler le long d’une ou plusieurs membranes, généralement en Zirfon® (à base de zircone, de la société Agfa) perméable aux ions (OH–) mais pas aux gaz. Chaque membrane est entourée d’électrodes (anode et cathode) en alliage de nickel poreux, recouvertes de catalyseurs à base de composés, de nickel et/ou de fer. L’électrolyseur à membrane polymère échangeuse de protons (PEM pour Proton Exchange Membrane) est une technologie plus récente (commercialisée à partir des années 1980). Ici, l’électrolyse opère en milieu acide et c’est la membrane qui joue le rôle d’électrolyte (solide dans ce cas). La membrane d’un électrolyseur PEM est généralement en Nafion® (de la société Dupont de Nemours) ou Aquivion® (de la société Solvay) perméable aux protons (H+) mais pas aux gaz. Celle-ci est en contact direct avec les catalyseurs à base de métaux nobles, puis les électrodes. L’électrolyseur à haute température est une technologie encore plus récente et moins mature. Dans ce type d’électrolyseur, une partie de l’énergie requise pour l’électrolyse est apportée par la chaleur de l’eau alimentant l’électrolyseur. L’architecture d’un électrolyseur à haute température est semblable à celle d’un électrolyseur PEM, avec une membrane jouant le rôle d’électrolyte (solide), en contact avec les électrodes. Mais les matériaux sont cette fois à base de céramique comme le cermet (composite céramique-métal).

L’électrolyse est parfois complétée par une étape de méthanation, permettant de faire réagir l’hydrogène avec du dioxyde de carbone pour produire du méthane (Power-to-CH4). La méthanation peut être opérée dans un réacteur équipé d’un lit catalytique, conçu pour maximiser la surface d’échange entre les gaz et le catalyseur (solide). Le contrôle de la chaleur se fait en aval du réacteur, en refroidissant le gaz produit, ou à l’intérieur du réacteur. Ce dernier peut par exemple être de type « tube-calandre » : les gaz y circulent dans des tubes dont l’intérieur est recouvert de catalyseur et le liquide de refroidissement (huiles thermiques ou, parfois, sels fondus ou eau) circule autour de ces tubes. Quel que soit le type de réacteur, une partie de la chaleur produite sert pour le procédé lui-même. Mais environ la moitié peut être valorisée pour un autre usage, par exemple en chauffant l’eau d’alimentation d’un électrolyseur à haute température. La méthanation biologique, quant à elle, est opérée en milieu aqueux et anaérobique (sans oxygène) par des micro-organismes, à des températures d’environ 60 °C et des pressions allant jusqu’à 10 bar. Il s’agit d’une réaction de méthanogenèse (produisant du méthane par voies métaboliques) par des micro-organismes hydrogénotrophes (métabolisant l’hydrogène par la réduction du dioxyde de carbone). Les réacteurs utilisés comprennent des dispositifs d’agitation, de chauffage pour la phase de démarrage et de refroidissement pour la phase opérationnelle. Bien que le procédé soit exothermique, les températures restent assez faibles et la chaleur dégagée est donc peu valorisable.