Méthanation, une solution d'avenir pour pallier la variabilité de production des EnR
Jean François Papot, directeur associé du bureau d'études Les EnR, nous propose un avis d'expert sur l'utilité de la méthanation pour stocker l'énergie et pallier la variabilité de production des énergies renouvelables.
Publié le 07/05/2012
"Oui, mais comment on fait quand il n'y a plus de soleil ni de vent ?" Cette simple question met trop souvent fin au débat sur l'intégration massive des énergies renouvelables dans notre mix énergétique. Pire, elle est souvent suivie d'un laïus stéréotypé sur la nécessité de rallumer les centrales à charbon ou de l'évocation d'un retour à la bougie. Le principal reproche fait aux énergies renouvelables est en effet l'intermittence de leur production.
Mix énergétique renouvelable : la question n'est plus "si" mais "quand"
Face à la pénurie des énergies fossiles et à l'in-acceptabilité croissante du nucléaire, le recours massif aux énergies renouvelables pour produire notre électricité n'est plus considéré comme une utopie écologiste mais bel et bien comme une transition nécessaire tant du point de vue économique qu'environnemental. De cette nécessité en nait une autre : fournir une réponse à l'intermittence des énergies renouvelables pour stocker l'excédent des périodes de production et répondre aux pics de consommation.
L'intermittence se prévoit : c'est même un métier !
Il convient tout d'abord de rappeler qu'intermittence ne signifie pas imprévisibilité. Il est ainsi tout à fait possible, à l'échelle d'une région par exemple, de prévoir avec plusieurs heures d'avance la production d'un champ éolien ou de centrales photovoltaïques. Comme tout gestionnaire de réseau anticipe déjà les pics de consommation, les plus innovants (en Espagne, en Allemagne…) ont appris à intégrer un mix énergétique à forte composante renouvelable (ponctuellement supérieure à 100%) et donc à gérer cette fameuse intermittence. Lorsque la production est supérieure à la consommation, il est ainsi courant de "stocker" de l'électricité via, par exemple, des stations de transfert d'énergie par pompage-turbinage (STEP) pour "remonter" de l'eau puisée en aval vers l'amont d'un barrage hydraulique. Cette eau peut ensuite être reconvertie de manière classique en énergie par le barrage au prix d'une perte de rendement de l'ordre de 20 à 30%. Cette gestion des intermittences (de production par stockage et de consommation par effacement) est l'un des enjeux des futurs réseaux intelligents1 (smart grids) qui mobilisent actuellement d'énormes ressources financières, techniques ou industrielles.
Méthanation : construire un pont entre le gaz et l'électricité
Malgré cela, le recours massif (c'est-à-dire proche de 100%) à des énergies renouvelables nécessite de trouver de nouvelles méthodes de stockage. Certaines pistes élégantes existent mais se heurtent à des limites techniques (régulation des cycles de charge/décharge pour les batteries électriques), quantitatives (STEP, stockage d'air comprimé, …), environnementales (exploitation de matériaux pour les piles) ou de sécurité (stockage de l'hydrogène) et ne permettront donc pas, même en les combinant, de répondre de manière satisfaisante à la problématique dans sa globalité.
Une des grandes forces du scénario négaWatt est d'avoir répondu à cette problématique en mettant en évidence la nécessaire complémentarité entre le gaz et l'électricité. Il est classique de penser au gaz pour produire de l'électricité (cogénération) mais un concept connu et français permet également d'inverser le paradigme pour créer une équivalence, aux pertes de rendement près, entre ces deux énergies : la méthanation.
La formule de Sabatier : CO2 + 4 H2 = CH4 + 2 H2O
Si l'hydrogène n'existe pas à l'état naturel, il est possible de le produire via des énergies renouvelables (hydroélectricité, solaire, éolien…) par électrolyse de l'eau. C'est le cas par exemple pour le projet Enertrag, soutenu par le gouvernement Allemand (21 M€) qui vise à utiliser l'excès de production d'énergie éolienne pour la production d'hydrogène. La méthanation utilise ce principe d'électrolyse et l'utilise pour générer du biogaz via la formule de Sabatier (CO2 + 4 H2 = CH4 + 2 H2O) qui, en combinant du dioxyde de carbone et de l'hydrogène, permet de générer du méthane, de l'eau... et de la chaleur. La qualité du gaz issu de l'étape de méthanation devient alors celle d'un gaz naturel, grâce à la séparation du CO2. Dans les installations techniques, le méthane peut être produit avec un rendement brut de plus de 60%. À moyen terme, il est possible d'améliorer encore ce rendement en optimisant le système de gazéification et de méthanation. Outre la production de méthane, le processus permet d'obtenir une chaleur d'échappement exploitable sur un plan commercial, pour couvrir les besoins en chaleur de l'industrie ou pour l'alimentation des réseaux de chauffage urbain (rendant alors économiquement viable des solutions de réseaux de chaleur malgré la baisse souhaitable des consommations). Le rendement total peut s'élever à plus de 80 %. Il n'a donc pas à rougir des systèmes actuels de stockage et en démontre la viabilité du point de vue économique.
Hors de France, les tests se multiplient
Le Centre pour l'énergie solaire et recherche sur l'hydrogène de Bade-Wurtemberg (ZSW) a collaboré avec l'Institut Fraunhofer pour l'énergie éolienne et de la technologie Energy System (IWES) et la société de Solarfuel pour expérimenter cette technologie. Les scientifiques ont utilisé une petite installation de 25 kilowatts à Stuttgart pour effectuer leurs tests initiaux. Cette expérimentation a permis de montrer que 60% de l'électricité nécessaire à la procédure peuvent être convertis avec succès en méthane (le reste est libéré sous forme de chaleur). L'étape suivante (en 2012) consistera à multiplier par 10 les puissances utilisées pour démontrer la faisabilité à plus grande échelle de cette transformation. A court terme, une éolienne de 3,6 MW permettra de produire, par minute, l'équivalent de 300 km d'autonomie pour un véhicule.
La méthanation est également exploitée pour produire et purifier du gaz à partir du bois (gazéification du bois). L'appareil de gazéification nécessaire à ce procédé fonctionne depuis 2002 à l'usine de biomasse de Güssing, en Autriche, et présente une capacité de combustible de 8 MW.
La méthanation, au cœur de la transition énergétique
Malgré les pertes de rendement, encore améliorables, la méthanation permet de compenser l'intermittence des énergies renouvelables et pourrait même s'appliquer au stockage des surplus de production de l'énergie nucléaire (tant que celle-ci reste une composante du mix énergétique français). Le méthane artificiel ainsi obtenu peut être mélangé ou substitué au gaz naturel actuel : stocké dans les réservoirs de GrDF et acheminé par les réseaux actuels, il n'implique quasiment pas de coût d'infrastructure. La capacité de stockage actuel de 100 terrawhatheures (3 fois supérieur au stockage nécessaire du scénario négawatt) permet de couvrir l'ensemble de nos besoins (électricité, chaleur, mobilité …) rendant ainsi crédible et économiquement viable l'intégration massive des énergies renouvelables.
Tout est question de décision
Il est donc possible de stocker l'énergie solaire, éolienne ou issue de la biomasse ! Il "suffit" de produire le méthane et/ou de l'hydrogène lorsque les conditions sont favorables (vent, soleil…) ou lorsque les besoins de chaleurs sont plus faibles. Comme toujours, certains acteurs (voir les réponses de M. Proglio à la commission d'enquête sénatoriale sur le coût réel de l'électricité2) pointent la complexité, les incertitudes et le coût associé à la méthanation… Bien sur que c'est compliqué ! Mais n'est ce pas le propre des politiques de prendre des décisions courageuses et des chercheurs/industriels d'y trouver des réponses ? L'homme aurait-il marché sur la Lune sans les efforts de la NASA et la volonté de Kennedy ? Paradoxalement, sans De Gaulle et les crédits du CEA, quel aurait été l'avenir de la filière nucléaire en France ?
Combiné à une rationalisation préalable de nos besoins, la méthanation, et plus globalement la complicité énergétique entre les différents réseaux (gaz, électricité…) rendent, pour citer les auteurs du scénario négaWatt, "possible ce qui est souhaitable".
Avis d'expert proposé par Jean François Papot, directeur associé du bureau d'études Les EnR
1 Consulter notre dossier sur les smarts grids publié en mars 2012
https://www.actu-environnement.com/ae/dossiers/smart-grid/smart-grid.php4
2 Consulter l'audition de M.Proglio au Sénat
http://www.senat.fr/les_actus_en_detail/article/cout-reel-de-lelectricite-1.html
Article proposé par :
Jean François Papot
Directeur associé du bureau d’études Les EnR
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18 Commentaires
Guydegif(91)
Le 08/05/2012 à 8h39
Bingo !
Signaler un contenu inappropriéMéthanation = une nlle LUEUR d'espoir (trop) ignorée à ce jour !
Méthanation, Méthanisation, même combat ! Méthane reconstitué ou méthane par biogaz ! Même usage et même utilité ! Pour Co-Gen ou pour mise au réseau de gaz ! Complémentarité avérée !
Souhaitons effectivement, comme le dit JFP, l'auteur de l'article, le courage et la volonté politiques ainsi que celles des chercheurs pour développer cette filière pour contre-carrer le pb de l'intermittence et du côté aléatoire de certaines EnR !
A bons entendeurs !
A+ Salutations Guydegif(91)
Hugo Victor
Le 08/05/2012 à 10h39
On ne dit pas "méthanation", mais "méthanisation"... et on ne dit pas "pallier à...", mais simplement: "pallier": ...pour pallier la variabilité...
Signaler un contenu inappropriéMERCI
Paul Chérel (ne pratique pas le
Le 08/05/2012 à 11h01
Je ne sais qui est le véritable auteur de l'article, le rapporteur ou l'expert ?, mais je voudrais lui rappeler qu'on ne pallie pas "à" mais on pallie "le " ou "la". Par ailleurs, l'article manque singulièrement de données chiffrées en espèces sonnantes et trébuchantes, d'une part (le coût) mais même sur le véritable rendement énergétique, d'autre part. Combien de KWh pour stocker, combien de KWh restitués ? Un véritable expert doit être au premier chef sérieux et complet dans sa réflexion. Paul Chérel
Signaler un contenu inappropriéZaroug
Le 08/05/2012 à 11h06
Votre message me fait plaisir et j'espère que notre nouveau Président saura transiger et arrêter ces perpétuels conflits d'intérêts qui n'ont pas été à l'honneur de notre ancien Président. L'enjeu concerne les prochaines générations et nous sommes encore à la traine sur le plan des tests en vrai grandeur comparé à l’Allemagne.
Signaler un contenu inappropriéSur le plan technique je n'ai pas vu mis en avant dans votre article l'intérêt, qui me semble aussi majeur, au travers de cette technique de la possibilité de limiter le volume de CO2 dans l'atmosphère et de son impact sur l'effet de serre. Ce d'autan que nombre de centre de production ont des émissions de CO2 facilement collectables, centrale à charbon ou autres industrie lourdes.
Etant moi-même producteur d'énergie renouvelable (photovoltaïque), je réfléchie depuis quelques temps aux différentes possibilités d'augmenter ma production (en y ajoutant de l'éolien) et de la stocker. Le système qui me semble le plus pertinent pour un particulier est le concept hydraulique couplé à un accumulateur à gaz pouvant monter jusqu'à 300bars. Tous les composants existent sur le marché car très utilisés dans l'industrie pour différentes applications donc d'un coût "modéré".
A partir de 2 ans d'enregistrement du spectre du vent local je dois aborder la partie calcul des composants, évaluation des coûts et de la rentabilité sans oublier les aspects de sécurité et réglementaire car je suis dans une zone pavillonnaire.
Cherche contact identique pour échanger / sujet.
MG
Le 08/05/2012 à 11h22
excellent, il faudra l'envoyer au futur ministre de l'énergie, peut-être avec un stage de formation. Mais avant corriger la faute de français: pallier est un verbe transitif direct : pallier la variabilité (et non à); il suffit de se souvenir que cela vient du latin "(recouvrir d'un) manteau"
Signaler un contenu inappropriéVerorang
Le 09/05/2012 à 0h21
A signaler aussi un autre mode de stockage à grande échelle très prometteur :
Signaler un contenu inappropriéhttp://www.ted.com/talks/lang/fr/donald_sadoway_the_missing_link_to_renewable_energy.html
et à l'échelon des particuliers, le stockage thermochimique : on stocke l'énergie issue du solaire thermique etc., quand il y a du soleil dans des zéolites, sulfate de magnésium ou autres. On restitue cette énergie stockée chimiquement sans perte de rendement pour produire des mois ou plus longtemps après, de la chaleur, du froid (climatisation, conservation etc) ou de l'électricité. L'énergie est de plus transportable (il y a des camions ainsi réfrigérés pour le transport du lait en Inde). En France, EDF a une maison solaire test avec stockage thermochimique :
http://cms.eurosun2010.org/atconference/displayattachment/53ce7ab26c9?filename=117696.pdf&key=51501e7559ed4aae4c34533debfb1cdb4d93500a6fa0f6fe86ffc0b905fc0c68&mode=presentation
et le MIT a un programme très intéressant aussi.
Guydegif(91)
Le 09/05/2012 à 9h54
à Zaroug,
Signaler un contenu inappropriéBonne remarque sur la réduction de CO2 induite par la démarche...
Pour vos pistes EnR investiguées, voir peut-être www.energie-partagee.org pour des pistes d'aides...seul ou avec d'autres citoyens-voisins....
A+ Salutations Guydegif(91)
PH
Le 09/05/2012 à 10h28
La fabrication d'un méthane de synthèse comme réponse à l'intermittence des EnR est tout simplement une idée géniale avancée par Negawatt dernière version. Bilan CO2 neutre et de l'eau comme rejet ! Il y a une place à prendre pour la France dans ce domaine, ne pas la laisser passer !
Signaler un contenu inappropriéChristophe_49
Le 09/05/2012 à 19h08
@Zaroug : La limitation du CO2 dans l'atmosphère n'est sans doute pas mise en avant car le méthane obtenu à partir du process décrit sera plus tard brûlé pour produire de la chaleur ou de l'électricité dans des centrales au gaz et libérera de cette façon le CO2 précédemment prélevé.
Signaler un contenu inapproprié@Paul Chérel : D'accord avec vous, des détails chiffrés seraient les bienvenus et apporteraient davantage de pertinence.
Maintenant il reste à voir comment tout ceci fonctionne en pratique. Cela dit le chiffre annoncé dans l'article de 21M€ pour soutenir un projet de création d'hydrogène à partir de l'électricité produite par des éolienne parait bien dérisoire comparé aux gigantesques gaspillages financiers de notre pays. Il serait peut-être temps d'investir dans de tels projets de recherches.
Fleurent
Le 09/05/2012 à 19h11
Methanisation à partir des dechets oui on evite que le methane produit par les dechets n'augmente pendant sa duree de vie dans l'atmosphère l'effet de serre
Signaler un contenu inappropriéMais le methane obtenu dans la reaction CO2 +H2 contient du carbone et en brulant redonnera a peu pres la même quantité de CO2 que celle utilisée à l'origine.On ne gagne rien en carbone et l'expert n'est pas clair de ce coté .C'est simplement une utilisation de l'hydrogène différente. On peut se demander si cette parole d'expert n'est pas de la publicité pour sa société Honni soit qui mal y pense...........
Albatros
Le 10/05/2012 à 13h14
Bien vu Fleurent!
Signaler un contenu inappropriéEncore un emploi vert!
PH
Le 10/05/2012 à 13h26
Le bilan CO2 est neutre (le CO2 utilisé pour la méthanation se retrouve lors de la combustion du méthane). Ce qui n'est pas sans intérêt : CO2 neutre, donc sans émission supplémentaire.
Signaler un contenu inappropriéMais les deux gros avantages de ce système seraient surtout :
1. La possibilité de stocker l'énergie intermittente des EnR et de fait de supprimer l’intermittence de fourniture d'énergie qui est le principal point faible des EnR.
2. La possibilité d'utiliser une grosse infrastructure déjà existante en France qu'est le réseau d'acheminement du gaz naturel. Celui-ci va devenir rare dans les décennies qui viennent, mais on pourra réutiliser le réseau pour y transporter le méthane de synthèse produit par les EnR.
Il faudrait vraiment que la R&D soit mobilisée sur cette idée.
Euh
Le 11/05/2012 à 11h51
Il faudrait voir quel est le rendement total atteint : electrolyse de l'eau puis méthanation, pour pouvoir stocker cette électricité renouvelable sous forme de combustible... Je suis un peu sceptique. Il vaut mieux stocker par l'usage (eau chaude sanitaire,...) ou par hydrogène directement.
Signaler un contenu inappropriéSinon d'un point de vue environnemental c'est neutre en carbone. Mais ça permet de stocker des ENR qui auraient été peut être perdu. C'est déjà ça.
René
Le 16/05/2012 à 16h38
Le bio-gaz issue de déchets ménagers ou agricoles, de gaz de STEP, etc.. non valorisables, que ce soit par méthanisation ou gazéification, est stockable. Donc au lieu de produire directement de l'électricité (et de la chaleur), il est plus pertinent de prévoir un stock tampon pour absorber les variations de consommation.
Signaler un contenu inappropriéCela ne change rien aux émissions de CO2 globales.
Zaravis
Le 25/05/2012 à 11h44
J'ai travaillé dur avec les instituts présentés dans cet article.
Signaler un contenu inappropriéMalheureusement, les conclusions sont moins flatteuses dans un système bouclé.
En effet, CO2 + 4 H2 = CH4 + 2 H2O. Maintenant, regardons d'où viennent les composants:
CO2, il y en beaucoup trop, c'est bon.
Il faut y ajouter de l'hydrogène qui n'existe pas à l'état naturel sur terre (disons en quantité industrialisable). L'hydrogène est produit par décomposition du CH4 selon la relation: CH4 + H2O → CO + 3 H2.
Comme on le voit, on utilise ce qu'on veut produire en entrée, c'est un peu gênant sachant que le rendemnt n'exède pas 80%.
Devant cet état de fait, l'idée évidente était de produire l'hydrogène par électrolyse. Et c'est là que j'ai découvert le rendement minable de l'électrololyse, 10% pour faire un compte rond facile à retenir.
Cette solution devient absurde quand on sait que l'éolien produit en moyenne 25% de la puissance installée. Il faudrait installer 40 fois la consommation avec une telle solution.
La dernière façon de produire de l'hydrogène avec un bon redement, c'est la séparation de l'eau à très haute température. Cette voie est obtenue par les réacteurs nucléaires dit VHTR (very high temperature reactor) qui n'existent que sur le papier et qui n'ont pas de sens si la finalité est de fournir de l'électricité (l'objectif est l'alimentation des piles à combustible pour moteur type voiture, mais surtaout pas pour s'éclairer ou se chauffer).
Verorang
Le 29/05/2012 à 0h57
Pour info : la production massive d'hydrogène propre par la voie protonique est très intéressante car elle requiert des températures plus faibles (de l'ordre de 600°C) que la conduction par ions O2-. À de telles températures il y a une bonne conductivité des protons avec utilisation de matériaux peu onéreux et fiables. Cette électrolyse effectuée sous pression (entre 50 et 100 bars) est efficace et les principaux paramètres des électrolyseurs sont améliorés, dont le rendement (+ de 85% obtenu) : on produit des quantités d'hydrogène notables avec un niveau de courant bien supérieur à ce qui avait été fait précédemment dans la filière protonique. Cette récente technologie abaisse en plus de près de 200°C la température de fonctionnement par rapport à la solution par conduction via ions O2-. En outre en permettant l'usage d'alliages commerciaux elle diminue le coût de l'hydrogène produit. Donc le bilan global de la méthanation est ainsi bon est peu coûteux et il y a encore un potentiel d’améliorations à venir.
Signaler un contenu inappropriéChristian
Le 28/08/2012 à 10h59
@zaravis : Bonjour, j'avais une question sur votre chiffre de 10% sur l'electrolyse de l'eau ; il semblerait que dans la littérature, les rendements soient plutôt entre 50 et 70%, puis je vous demander d'où vient votre chiffre de 10 % ? Est ce la différence entre la littérature et le terrain ? ;)
Signaler un contenu inappropriéTille
Le 01/02/2017 à 12h48
Bonjour,
Signaler un contenu inappropriéMon expérience de terrain me rend difficile à imaginer, pour l'instant, qu'on puisse remplacer le nucléaire ou le fossile par du renouvelable.
Je fais du bateau et on équipe les bateaux en mini-éoliennes et/ou panneau photovoltaïque. Ces sources d'énergie suffisent à peine pour maintenir la batterie du GPS et des instruments de bord (si l'utilisation est permanente, la charge de la batterie descend.
Pour les feux de hune (éclairage en haut du mât), ça ne suffit pas, même avec des diodes, et pour le frigo et l'eau chaude, oublions. C'est soit le gaz, soit la batterie moteur, soit le bon vieux réseau EDF. Pour la hifi, les lumières plein pot, c'est pareil, c'est à quai ou avec la batterie moteur !
Alors, le renouvelable, oui,mais pour des besoins vraiment riquiqui... ou alors il faut m'expliquer