Niché au creux des collines d'Argovie, à mi-chemin entre Bâle et Zurich, l'Institut Paul-Scherrer (PSI) héberge, depuis 2020, la plus grande installation de gazéification hydrothermale avec catalyse d'Europe. Développée avec la start-up TreaTech, cette installation pilote est capable de traiter 110 kg/h de matière brute. À grands traits, le système consiste à transformer des déchets organiques humides en gaz riches en méthane, via un procédé fermé capable non seulement de récupérer les sels minéraux, l'azote et l'eau, mais aussi d'éliminer les bactéries, virus et autres micropolluants, le tout sans la moindre émission dans l'atmosphère.
Quels déchets ?
Là où la méthanisation (1) et la pyrogazéification (2) valorisent des intrants solides, plutôt secs, et là où le power-to-gas (3) utilise les excédents de production d'ENR non stockables, la gazéification hydrothermale (GH) ambitionne de produire un gaz renouvelable, bas carbone, à partir d'intrants liquides, ou humides, ou d'intrants solides mélangés à de l'eau. Par exemple, des déchets agricoles (fumiers, lisiers), des digestats de méthanisation, des déchets agroalimentaires (laitiers, sucriers, céréaliers, etc.), des biodéchets, des boues de stations d'épuration (step), sachant que celles des step industrielles sont plus riches en carbone que celles des step urbaines, mais contiennent aussi davantage de polluants, métaux et autres inorganiques… Au total, « plus d'une centaine de déchets biogéniques potentiels ont déjà été identifiés », annonce Robert Muhlke, responsable gazéification hydrothermale chez GRTgaz, qui pilote le groupe de travail GH lancé en 2021 dans l'Hexagone.
Eau supercritique
Autre prérequis concernant les intrants : ils doivent contenir le moins possible de composants susceptibles de corroder les installations en inox (halogènes, soufre). Surtout, ils ne doivent pas être trop visqueux. « Il faut que l'intrant soit pompable », résume Gaël Peng, cofondateur et directeur technique de TreaTech. Après homogénéisation de sa composition, l'intrant commence en effet son parcours dans une pompe où le niveau de pression est porté à 250-300 bars et une vingtaine de degrés. Il est ensuite préchauffé grâce à l'échangeur de chaleur et injecté dans un séparateur de sels : en phase supercritique (plus de 374°C et plus de 221 bars), l'eau présente dans le mélange change totalement de caractéristiques, elle acquiert des propriétés nouvelles qui lui permettent de séparer les éléments en présence.
Concrètement, les solides initialement dissous dans le flux sont précipités : tout ce qui est inorganique dans la matière sèche, les métaux et les minéraux notamment (phosphore, potassium, calcium), tombent de manière gravitaire à l'intérieur du réacteur et sont récupérés pour une valorisation ultérieure. Surtout, cette fraction inorganique ne perturbe plus le reste du procédé, qui se poursuit dans le gazéifieur où la matière organique est transformée en un mélange gaz-liquide. En sortie, ce mélange est séparé : le résidu liquide contient essentiellement de l'eau saturée en CO2 et, en fonction de la composition de l'intrant, en azote sous forme d'ammonium ; le gaz de synthèse peut être utilisé tel quel en autoconsommation (cogénération, chaudière) ou traité (épuration, méthanation) avant injection dans le réseau.
La composition du mélange de gaz obtenu en sortie de gazéifieur varie selon le procédé utilisé : avec catalyse ou à haute température. Sur le site PSI de Villigen, les chercheurs travaillent avec un catalyseur (nickel, ruthénium), ce qui leur permet d'abaisser la température de réaction à 400 °C (mais pas moins) et de générer un gaz de synthèse très riche en méthane – jusqu'à 70 % – sans ajout artificiel d'hydrogène. Le reste du mélange se compose de dioxyde de carbone (entre 20 et 30 %), d'hydrogène (moins de 10 %) et, en de très rares occasions, de monoxyde de carbone (traces).
Dans le procédé dit à haute température (entre 550 et 700 °C), très avancé aux Pays-Bas (4) , la composition du gaz de synthèse obtenu est différente : 25 à 40 % de méthane, 30 à 50 % d'hydrogène, autour de 30 % de dioxyde de carbone et des alcanes (éthane, butane, propane) ayant un pouvoir calorifique supérieur à celui du méthane.
Quelles performances ?
L'équipe suisse a testé son procédé avec catalyse avec une quinzaine d'intrants – dont des boues digérées, des résidus de mélasse et des solvants usagés, avec des PCI respectifs de 13, 19 et 31 MJ/kg. Les résultats (5) ont fait apparaître un taux de récupération du carbone dans le gaz de 75 % pour les boues digérées, de 86 % pour les résidus de mélasse et de 95 % pour les solvants usagés, avec une production nette annuelle de gaz injectable dans le réseau de 15, 20 et 50 GWh respectivement.
Épuration du gaz de synthèse incluse, le coût d'une unité de 3 t/h a été estimé entre 7,6 et 9,8 millions d'euros maximum par TreaTech, qui entend installer, courant 2023, sa première unité de démonstration mobile chez un client, pour parvenir à 115 modules déployés en 2030, sur des capacités comprises entre 3 et 4 ou 5 t/h. Sont ciblées toutes les entités produisant des déchets le plus souvent envoyés à l'incinération – c'est obligatoire pour les boues d'épuration en Suisse et aux Pays-Bas. Les solvants usagés, les résidus de productions chimiques, les eaux contaminées aussi sont potentiellement concernés.
