Technologie innovante au coeur des systèmes Power-To-X

Dans un futur relativement proche, l’approvisionnement énergétique de la Suisse sera principalement renouvelable [1]. Et étant donné que le pays a décidé de ne pas construire de nouvelles centrales nucléaires et de fermer les centrales existantes à la fin de leur durée de vie [2], que la mobilité individuelle sera en grande partie électrifiée et que les pompes à chaleur seront de plus en plus utilisées pour le chauffage, la production d’électricité renouvelable devra être fortement et rapidement accrue. Cela se era partiellement avec de l’énergie hydraulique supplémentaire et surtout grâce à une combinaison d’énergie photovoltaïque et éolienne. Le déploiement de cette dernière dépendant cependant beaucoup de l’acceptation de la population, il est difficile d’en attendre une capacité significative à court terme. En conséquence, plusieurs scénarios anticipent un surplus d’électricité renouvelable dû au photovoltaïc en été alors qu’un déficit est observé en hiver (par exemple les quatre scénarios des perspectives énergétiques 2050+ de la Confédération Suisse [3]).

Procédes Powert-To-X

Il existe des solutions pour gérer ces écarts de production [4], l’une des plus prometteuses étant la technologie Power-to-X. Les systèmes Power-to-X utilisent de l’électricité (power) renouvelable pour produire des vecteurs d’énergie sous forme chimique (X), donc sous forme de molécules également utilisables comme matière première.¹ La première étape du procédé comporte un électrolyseur qui sépare les molécules d’eau H₂O en oxygène O₂ et hydrogène H₂. Une installation qui se limite à cette étape est nommée Power-to-Hydrogen et fournit uniquement de l’hydrogène comme vecteur d’énergie. Si on y ajoute des étapes de transformation supplémentaires et une source de dioxyde de carbone CO2 ou d’azote N₂, l’hydrogène H₂ peut alors aussi être transformé en différents vecteurs d’énergie tel que du méthane CH₄, du méthanol CH₃OH, des chaines d’hydrocarbures CnHm (par exemple carburant d’aviation) ou de l’ammoniac NH₃ (voir tab. 1). Les vecteurs d’énergie ainsi produits sont dénommés «carburants synthétiques» ou «E-Fuels».

¹ Parfois, «X» peut aussi désigner de la chaleur, permettant aux pompes à chaleur d’être également considérées comme installations Power-to-X. Dans cet article, la définition la plus courante de Power-to-X est toutefois utilisée, celle dans laquelle le X représente un vecteur d’énergie chimique ou une matière première.

Tab. 1 Résumé des principaux procédés permettant de produire d’autres vecteurs d’énergie chimique à partir d’hydrogène. Efficacité: pouvoir calorifique supérieur des produits divisé par le pouvoir calorifique supérieur des réactifs en supposant une conversion complète (réactifs et produits à 25 °C, l’eau H₂O condensée).

Carburants Synthétiques

En comparaison avec l’hydrogène, les carburants synthétiques ont l'avantage de pouvoir être plus facilement stockés et transportés, ce qui leur permet d’être employés dans des domaines difficilement électrifiables, tels que l’aviation par exemple, où l’hydrogène n’offre pas une densité énergétique suffisante. En revanche, l’étape supplémentaire nécessaire à la production de ces carburants synthétiques présente l’inconvénient de nécessiter des équipements additionnels et de compliquer le procédé. Ceci engendre des pertes d’énergie supplémentaires qui réduisent au final le rendement du processus. En Suisse, les centrales de réserve prévues pour produire de l’électricité en cas d’urgence (voir premier appel de la confédération: [5]) pourront par exemple être opérées avec des carburants synthétiques. Le méthane, grâce au réseau de gaz existant, ainsi que le méthanol, les hydrocarbures plus complexes et l’ammoniac, sont relativement facilement manipulables et transportables. Ainsi, il devient intéressant de produire ces vecteurs d’énergie là où l’électricité renouvelable est disponible en grande quantité et à faible coût, ce coût étant quasiment toujours dominant dans le coût total de production. Le rapport «Perspectives énergétiques 2050+» [3] de la Confédération prédit d’ailleurs que seule une partie de l’hydrogène sera produite dans le pays, le reste étant importé de l’étranger. Les carburants synthétiques, qui prennent une place plus ou moins importante dans les scénarios examinés, peuvent également être produits localement ou importés. La technologie Power-to-X n’est donc pas uniquement importante du point de vue de l’approvisionnement énergétique pour la Suisse, mais elle représente également une technologie et un savoir-faire pouvant être exportés.

Électrolyse

Comme mentionné ci-dessus, la première étape de n’importe quel processus Power-to-X est effectuée par un électrolyseur. Il en existe plusieurs types (voir tab. 2), les plus connus étant les électrolyseurs alcalins, ceux à membrane polymère (proton exchange membrane, PEM) et ceux à membrane d’échange d’anions (anion exchange membrane, AEM) qui fonctionnent tous à basse température et qui permettent de dissocier de l’eau liquide déminéralisée en hydrogène et oxygène à l’aide d’énergie électrique. Il existe une autre classe d’électrolyseurs, qui, eux, fonctionnent à haute température et permettent de dissocier directement de la vapeur H₂O en hydrogène H₂ et oxygène O₂

Tab. 2 Aperçu des différentes technologies d’électrolyseurs.

Électrolyseurs à basse température

Electolyseurs alcalins

La technologie alcaline a déjà une longue histoire industrielle, notamment en Suisse avec l’entreprise IHT sise à Monthey qui a été récemment reprise par l’allemand Sunfire. Cette technologie séduit aujourd’hui par sa robustesse et sa disponibilité, mais est plus limitée en ce qui concerne le rendement, la dynamique et la densité de puissance, restreignant son application à des endroits où l’élec-tricité renouvelable est peu chère et si possible relativement constante. Dans les très grands projets actuels d’électrolyse, notamment au Moyen Orient, aux USA et en Amérique du Sud, c’est la technologie qui semble la plus demandée.

Electrolyseurs à membrane polymère

La technologie «Proton Exchange Membrane» (PEM) connait elle-aussi un fort succès, particulièrement dans son application comme pile à combustible (générateur électrique fonctionnant à l’hydrogène H₂) pour l’industrie automobile. Son pendant en électrolyse fait intervenir d’autres acteurs plus orientés vers les solutions industrielles, dû en grande partie au fait que la technologie, la taille et les matériaux ne sont pas les mêmes pour l’application en mode «pile» et en mode «électrolyse». Dans les deux cas, ce sont des métaux nobles qui sont utilisés comme catalyseurs (platine en mode pile, et iridium en mode électrolyse). Cette technologie arrive à maturité et des installations de plusieurs dizaines de MW sont en opération à l’heure actuelle. Si les rendements électriques et la dynamique des électrolyseurs PEM sont meilleurs que les alcalins et la densité volumétrique de puissance nettement plus importante, le déploiement à large échelle sera en partie tributaire de la disponibilité – et donc du prix – de l’iridium ou de la capacité de réduire les quantités requises par unité de puissance.

Electrolyseurs à membrane d'échange d'anions

Une troisième technologie appelée «Anion Exchange Membranes» (AEM), beaucoup plus récente, combine les avantages des technologies alcaline et PEM. Elle se trouve à un stade de développement moins avancé que les deux autres et n’est donc pas présentée en détail dans le présent article.

Électrolyse à haute température

Il existe une quatrième technologie qui opère dans des conditions totalement différentes. Il s’agit des piles et électrolyseurs à oxyde solide, plus communément connues sous leur acronyme anglais SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) ou SOEC (Solid Oxide Electrolyser Cell). Cette technologie est basée sur un électrolyte solide en céramique intégré dans des cellules qui sont empilées les unes sur les autres et qui forment une pile (fig. 1). Les piles à oxyde solide opèrent à une température supérieure à 600 °C et sont donc souvent aussi nommées pile ou électrolyseurs à haute température. Les piles peuvent être opérées de manière bidirectionnelle (opération réversible): en tant qu’électrolyseur pour générer de l’hydrogène à partir d’électricité, ou en tant que pile à combustible pour produire de l’électricité à partir d’hydrogène ou même à partir d’autres carburants. Dans ce deuxième cas, des carburants carbonés comme le gaz naturel permettent une production d’électricité avec un très haut rendement² (> 60%). À la température de fonctionnement, l’eau se trouve sous forme de vapeur et c’est donc celle-ci qui est directement décomposée en oxygène et en hydrogène lors de la réaction d’électrolyse.

De par la therthermodynamique, cette réaction consomme nettement moins d’électricité que l’électrolyse de l’eau sous forme liquide, et c’est ce qui constitue l’atout majeur de l’électrolyse à oxyde solide (SOE) lorsqu’elle peut être combinée à un processus industriel ayant de la chaleur fatale ou de la vapeur à disposition. En effet, la part d’énergie utilisée pour vaporiser l’eau est pour ainsi dire gratuite puisqu’elle serait autrement perdue. De plus, l’électrolyse à haute température est plus efficace que l’électrolyse à basse température. Au final, moins d’électricité doit donc être fournie au système pour produire la même quantité d’hydrogène et le processus est plus efficace qu’avec un électrolyseur à basse température. Au niveau du système, on s’attend à une consommation de 37 à 45 kWh/kg H₂ lorsque la vapeur est disponible, soit environ 20% d’électricité en moins que pour les électrolyseurs à basse température.

La technologie SOE offre également un autre mode d’utilisation dans lequel un mélange de vapeur H₂O et de dioxyde de carbone CO₂ peut être co-électrolysé, permettant l’obtention d’un gaz de synthèse (H₂ et CO) en sortie de pile. En Suisse, ces piles ont été développées à partir des années 2000 notamment par une équipe de chercheurs à l’EPFL puis transférée au spin-off HTceramix SA à Yverdon-les-Bains, ou encore par l’équipe de Sulzer Hexis à Winterthur. Elles ont subi plusieurs évolutions qui leur ont finalement permis d’atteindre une maturité suffisante pour être déployées sur le marché domestique dans des applications de micro-cogénération. C’est ainsi que l’entreprise HTceramix SA, acquise entre-temps par un groupe italien et devenue SolydEra SA, a déployé plus de 3000 systèmes de micro-cogénération Bluegen fonctionnant au gaz naturel, accumulant au passage plus de 75 millions d’heures d’opération et amenant la technologie à maturité industrielle. La technologie de pile, initialement développée à Yverdonles- Bains, a été transférée en Italie où a été érigée la plus grande ligne automatisée de production de piles à oxyde solide en Europe (fig. 2).

² Le rendement est défini comme le pouvoir électrique produit divisé par le pouvoir calorifique inférieur du carburant.