Méthanation et power-to-gas avec du CO₂ biogénique : voie catalytique et voie biologique

La méthanation (power-to-methane) est un procédé dans lequel l’hydrogène issu de l’électrolyse se combine au dioxyde de carbone pour former du méthane : CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O. Dans une unité de production de biométhane, la source naturelle de CO₂ est le flux résiduel de l’épuration du biogaz ; au lieu de le rejeter dans l’atmosphère, on peut donc l’utiliser pour produire du méthane supplémentaire. Le procédé peut se dérouler par voie catalytique (méthode de Sabatier) ou biologique avec des archées. Le rendement énergétique global de l’électricité au méthane se situe à titre indicatif dans l’intervalle d’environ 45–55 %, car les plus fortes pertes surviennent dans l’électrolyse.

Voie catalytique (Sabatier)

La réaction est exothermique (ΔH ≈ −165 kJ/mol CH₄), conduite généralement à une température d’environ 250–400 °C, sous une pression allant de la pression atmosphérique à une dizaine de bars, sur un catalyseur au nickel. Avantages : grande vitesse, compacité, possibilité d’utiliser la chaleur de réaction. Inconvénients : sensibilité du catalyseur au soufre, nécessité de purifier le CO₂, commande plus complexe en cas d’alimentation variable en hydrogène (par exemple issu des énergies renouvelables).

Voie biologique

Des archées méthanogènes (par exemple Methanothermobacter) transforment H₂ et CO₂ en CH₄ à une température d’environ 55–65 °C dans un réacteur à liquide ou dans le digesteur. Avantages : tolérance aux impuretés (y compris le sulfure d’hydrogène), flexibilité en cas d’apport variable d’hydrogène, pressions plus basses. Inconvénients : limitations du transfert de masse du gaz vers le liquide, volumes de réacteurs plus importants, températures de chaleur fatale plus basses.

Bilan de masse et d’énergie

Pour 1 m³ de CH₄, il faut 1 m³ de CO₂ et 4 m³ de H₂. L’hydrogène a un pouvoir calorifique d’environ 3,0 kWh/m³ (0,0899 kg/m³ × 33,3 kWh/kg), de sorte que 4 m³ de H₂ représentent environ 12 kWh. Avec 1 m³ de CH₄, on obtient environ 9,97 kWh. Le rendement de la seule méthanation (énergie du méthane / énergie de l’hydrogène) est donc d’environ 83 %, et le reste est la chaleur de réaction. L’électrolyse consomme environ 52 kWh/kg de H₂ : pour 0,36 kg de H₂ (4 m³), cela représente environ 18,7 kWh d’énergie électrique. Rendement de l’électricité au méthane : 9,97/18,7 ≈ 53 %, sans compter l’énergie de compression et des équipements auxiliaires. La chaleur de réaction et d’électrolyse, si elle est utilisée, élève le rendement global.

Exemple : unité de production de biométhane avec méthanation

Hypothèses : l’unité de production de biométhane traite 500 m³/h de biogaz à 55 % de CH₄ et 45 % de CO₂. L’off-gas contient environ 225 m³/h de CO₂. Avec une utilisation complète du CO₂ et de l’hydrogène supplémentaire, il est possible de produire 225 m³/h de CH₄ supplémentaire, soit pratiquement un doublement de la production (275 + 225 = 500 m³/h de CH₄). Cela exige 900 m³/h d’hydrogène et environ 4,2 MW de puissance d’électrolyse (900 m³/h × 0,0899 kg/m³ ≈ 81 kg/h × 52 kWh/kg ≈ 4,2 MW). Avec un prix de l’électricité de 400 PLN/MWh, le coût de l’énergie par m³ de CH₄ est d’environ 18,7 kWh × 0,4 PLN/kWh ≈ 7,5 PLN/m³ – plusieurs fois plus que le coût du biométhane issu de la méthanisation. Cela illustre pourquoi la méthanation exige une électricité très bon marché ou une valeur ajoutée (par exemple stockage des excédents d’énergies renouvelables, exigence RFNBO).

Applications

1. Stockage d’énergie : excédents d’électricité transformés en méthane dans le réseau de gaz.
2. E-méthane comme carburant renouvelable (RFNBO), si l’électricité satisfait aux exigences.
3. Augmentation de la production de biométhane dans l’unité de méthanisation grâce à la valorisation du CO₂.
4. Décarbonation de l’industrie, où l’hydrogène est plus difficile à utiliser que le méthane.

Installations de démonstration

À Werlte en Allemagne, Audi a mis en service en 2013 une installation e-gas d’une puissance électrique d’environ 6 MW, utilisant le CO₂ d’une unité de méthanisation. À Avedøre au Danemark fonctionne l’installation BioCat avec méthanation biologique d’une puissance de l’ordre de 1 MW. Ce sont des projets pilotes et de démonstration ; l’échelle commerciale reste limitée par les coûts.

Conditions réglementaires

Pour que l’e-méthane soit reconnu comme RFNBO, l’électricité destinée à l’électrolyse doit satisfaire aux exigences d’additionnalité, de corrélation temporelle et géographique ; le CO₂ doit provenir de sources admises par la réglementation (y compris biogéniques). La réglementation prévoit des périodes transitoires et des règles détaillées, qu’il faut lire dans les actes en vigueur. Lorsque l’électricité provient du biogaz, le statut peut être différent.

Synthèse

La méthanation permet de valoriser le CO₂ d’une unité de méthanisation et de relier les secteurs de l’électricité et du gaz, mais l’économie dépend du prix de l’électricité et des exigences réglementaires. Dans les prochaines années, c’est une technologie de démonstration et de niche.