Augmenter le rendement en méthane des usines de biogaz

Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer de microingénierie et de microsystèmes IMM ont maintenant trouvé un moyen de convertir le méthane résiduel des usines de biogaz en méthane supplémentaire, augmentant ainsi considérablement le rendement en méthane des usines de biogaz. Le processus est opérationnel et l’équipe de recherche étend actuellement l’usine de démonstration à cinq mètres cubes de méthane par heure.

L’Allemagne est sur la voie de la neutralité climatique et vise à réduire les émissions de dioxyde de carbone de 65 % d’ici 2030 par rapport aux niveaux de 1990. Les installations de biogaz jouent un rôle important dans la défossilisation. Les bactéries de ces plantes décomposent la biomasse en l’absence d’oxygène pour former du biogaz qui, en moyenne, comprend jusqu’à 60 % de méthane et plus de 40 % de CO2. Alors que le biogaz est utilisé pour produire de l’électricité et de la chaleur dans des unités de production combinée de chaleur et d’électricité ou peut être transformé en qualité de gaz naturel et injecté dans le réseau de gaz naturel, le CO2 n’a pas été utilisé à ce jour.

Les chercheurs de Fraunhofer IMM travaillent maintenant sur une technologie pour utiliser le CO2. « Nous convertissons le CO2 en méthane en utilisant de l’hydrogène vert », a déclaré le Dr Christian Bidart, l’un des scientifiques de Fraunhofer IMM, expliquant le principe du nouveau procédé.

« Cela signifie que le biogaz produit peut être utilisé dans toute sa mesure maintenant et pas seulement à environ 60 %, comme par le passé. La réaction chimique sous-jacente a été découverte il y a plus de cent ans, mais à ce jour, elle n’a pas été utilisée pour la valorisation directe du biogaz. Dans le cadre de la transition énergétique, cependant, les voies d’utilisation du CO2 sont mises en évidence.
Dans le projet ICOCAD I, l’équipe de recherche a développé une usine de démonstration qui convertit un mètre cube de biogaz par heure en un mètre cube de méthane avec une puissance thermique équivalente à dix kilowatts de l’électrolyseur nécessaire pour produire l’hydrogène du procédé.

Dans le projet de suivi ICOCAD II, les chercheurs sont maintenant en train de multiplier ce démonstrateur par un facteur de cinq, jusqu’à une puissance thermique de 50 kilowatts. L’un des défis de ce projet est la nature hautement dynamique du processus.

La quantité d’électricité générée par les systèmes éoliens et photovoltaïques fluctue considérablement, ce qui signifie que la quantité d’hydrogène vert obtenue à partir de l’eau utilisant l’électricité dans les électrolyseurs est également soumise à des fluctuations considérables. L’usine de démonstration doit donc être capable de réagir rapidement à des quantités variables d’hydrogène.

Le stockage de l’hydrogène serait techniquement possible mais serait compliqué et coûteux : « Nous travaillons donc à flexibiliser l’ensemble du système afin d’éviter au maximum le stockage de l’hydrogène », précise Bidart. Les réservoirs de stockage de CO2 font partie de ce plan, car la quantité de CO2 produite dans les usines de biogaz reste constante.

Développer des catalyseurs efficaces pour la réaction était un autre défi. La solution proposée par les chercheurs de Fraunhofer IMM consistait à utiliser un micro-revêtement à base de métaux précieux. Le principe sous-jacent est que l’hydrogène et le dioxyde de carbone traversent un grand nombre de microcanaux – dont les parois sont recouvertes du catalyseur – où ils réagissent les uns avec les autres. « De cette façon, nous pouvons augmenter la surface de contact entre les gaz et le matériau catalyseur et réduire la quantité de catalyseur nécessaire », a déclaré Bidart. « De nombreuses microstructures de ce type sont empilées les unes sur les autres dans le réacteur. »

Les chercheurs travaillent actuellement à la mise en œuvre du plus grand démonstrateur et à la réalisation d’un fonctionnement dynamique. Ils espèrent pouvoir mettre en service cette centrale en 2023 afin de la tester en conditions réelles sur une centrale de biogaz. Cependant, ce n’est en aucun cas la limite de leurs plans de mise à l’échelle, étant donné les grands volumes de CO2 produits par les usines de biogaz. Les chercheurs prévoient donc de passer à 500 kilowatts d’ici 2025 et de nouveau à un ou deux mégawatts d’ici 2026.