Gaz renouvelables : Qu'est-ce que le méthanation biologique?

Au lendemain du premier TWh de biométhane injecté dans les réseaux de gaz, la filière se mobilise pour soutenir les relais technologiques qui permettront d’améliorer significativement les quantités de biométhane produites tout en créant de nouveaux services alliant la complémentarité des réseaux de gaz et d’électricité. Parmi ces relais, la méthanation –biologique ou catalytique- qui consiste à produire des molécules de méthane (CH4) par la synthèse de molécules de dioxyde de carbone (CO2) et d’hydrogène (H2) offre de belles perspectives.

La technologie de méthanation catalytique, connue depuis plus d’une centaine d’années, et très utilisée dans des industries telles que la fabrication d’engrais azotés ou la pétrochimie, cherche encore son business model avec la filière gaz renouvelable. La technologie de méthanation biologique commence à trouver sa place au sein de la filière gaz verts sous l’impulsion d’acteurs mondiaux (Audi, Viessman, Suez,…) qui font le pari d’une technologie robuste, fiable et « low-tech ». A l’avenir, son industrialisation pourra potentiellement permettre de se passer d’une brique d’épuration (à condition d’avoir accès une source de dihydrogène vert produit localement) tout en augmentant significativement les rendements de production de gaz.

Tour d’horizon des acteurs, des technologies les plus couramment utilisées et des projets pilotes associés à la méthanation biologique.

La loi de Transition Énergétique de 2015 fixe l’objectif de 10% de gaz renouvelables dans la consommation en 2030, soit environ 30 TWh, qui seraient majoritairement issus de la méthanisation, complétée par la pyrogazéification, la gazéification hydrothermale et le Power-to-Gas.

Le projet de Programmation Pluriannuelle de l’Energie (PPE) de janvier 2020 prévoit une révision des objectifs de la filière biométhane (14 à 22 TWh/an de gaz vert injectés dans le réseau en 2028) et fixe une cible de maitrise des coûts à cet horizon (75€/MWh en 2023, 60€/MWh en 2028) grâce à l’introduction d’appels d’offres.[i]

À titre prospectif, l’Ademe a publié en 2017 un scenario ambitieux de mix gazier 100% renouvelable à horizon 2050 comme le montre la figure ci-dessous.

Au-delà des contraintes techniques pour le réseau liées au transport de telles quantités de gaz renouvelable, les caractéristiques précises du mélange gazeux transporté sont essentielles pour assurer l’intégrité du réseau mais également des équipements desservis par ce dernier (i.e ratios de méthane et d’hydrogène circulant dans les réseaux [ii]). La méthanation parait être aujourd’hui une solution technologique permettant un transport fiable de la molécule de gaz jusqu’au client final.

Toutes les types de biomasses, leurs déchets mais également l’électricité renouvelable intermittente ont longtemps été sous-estimés et peu valorisés. Pour réussir la transition énergétique et le développement d’une économie circulaire locale, tous les intrants ont un rôle à jouer, pourvu qu’ils soient fléchés vers la bonne filière de valorisation.

Le schéma ci-dessus montre que toutes les filières de production de gaz vert ont la particularité de produire à la fois un syngaz (ou biogaz) plus ou moins riche en CH4 et en H2, mais également une part importante de CO2. Après l’épuration du gaz (séparation de la molécule de méthane -CH4- et des autres composés gazeux dont notamment le CO2), la recombinaison de ce dernier avec des molécules d’hydrogène (H2) permet la création de biométhane via l’équation (finale) suivante :

CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O

La méthanation biologique intervient en milieu anaérobie en présence d’H2 et de CO2 dissous dans la phase aqueuse et de microorganismes (en majorité des archées méthanogènes) dans des plages de températures et de pression comprises entre 40 et 65°C et <10 bar.

La présence de bactéries est la principale différence avec la méthanation catalytique, qui se développe quant-à-elle dans un milieu chimique composé d’un catalyseur à base de nickel (réaction de Sabatier), dans des plages de températures et de pression comprises entre 200 et 600°C et jusqu’à 40 bar.

La réaction de méthanation peut s’effectuer de deux manières : soit en « standalone » c’est-à-dire via l’apport de CO2 fatal (capté des cheminés industrielles par exemple) et d’H2 soit dans le cadre d’un « up-grade » du biométhane provenant de l’une des filières de gaz renouvelables inscrites sur le schéma en ci-dessus.

La quasi-totalité des projets de méthanation biologique en cours utilise cette réaction de méthanation d’up-grading afin d’améliorer, à termes, le rendement des projets de gaz renouvelable et leur permettre de bénéficier des mécanismes de soutien en vigueur (tarifs de rachat du biométhane, cadre réglementaire et droit à l’injection, etc).

Le principal enjeu de la méthanation biologique réside dans la dissolution des gaz en phase liquide (problématique de transfert de masse) notamment de l’hydrogène, très peu soluble dans ces gammes de température (24 fois moins que le CO2). Cette réaction sera forcée via la conception de réacteurs de méthanation (4 types identifiés, voir ci-après) tout en essayant de minimiser l’encombrement de ces derniers.

L’analyse suivante se concentrera uniquement sur deux géométries réellement disponibles aujourd’hui sur le marché :

• Les Réacteurs Parfaitement Agités (RPA ou Continuous Stirred Tank Réactor - CSTR)
• Les Réacteurs à Percolation (Trickled Bed Reactor – TBR)

Les réacteurs « colonnes à bulles » et membranaires sont encore au stade de recherche et aucun projet pilote n’a été référencé avec ces technologies[iii].

Pour traduire les performances des réacteurs de méthanation, il est convenu de comparer la production nominale de méthane par unité de temps rapporté au volume du réacteur. Il s’agit de m3 de méthane produit par m3 de réacteur et par jour. Ce paramètre est parfois qualifié de taux de production journalier.

Le stade expérimental des projets actuellement développés ne permet pas de donner des valeurs réellement exactes de ce critère de performance, mais plutôt des ordres de grandeurs en prenant comme référence ce qui a été publié scientifiquement.

Réacteurs parfaitement agités

Étant donné leur robustesse, leur conception simplifiée rendant le coût de fabrication peu élevé et leur facilité d’utilisation, les réacteurs parfaitement agités constituent la famille de bioréacteurs les plus couramment utilisés et développés au stade industriel (TRL 7-8).

Leur géométrie laisse penser qu’il pourrait s’agir d’un digesteur classique de méthanisation tant les composants sont semblables : cuve cylindrique fermée, pâles d’agitations, évacuation des gaz,… Toutefois ce sont des géométries adaptées, équipées et monitorées finement ayant leurs propres spécificités : la performance énergétique (moindre énergie pour dissoudre les bulles de gaz et agitation) est un critère très important. 

Le schéma ci-dessus montre l’injection du gaz (CO2 + H2) via des cannes d’injections au sein du réacteur composé de populations d’archées méthanogènes. Les pâles d’agitations (en réalité plusieurs niveaux de pâles) entrainent un cisaillement au niveau de phase liquide qui tend à briser les bulles de gaz, optimisant ainsi la surface d’échange gazeux. 

Ces types de réacteurs peuvent être mis en série pour une meilleure efficacité et permettent de convertir jusqu’à 98% du CO2 en CH4.

Les principaux acteurs industriels utilisant cette technologie sont Electrochea, MicroPyros, MicrobEnergy (Viesmann), Suez, et Krajete.

Réacteur à percolation (Trickle Bed Reactor TBR)

Faisant référence à la machine à café filtre, ce réacteur est simple de conception, facile d’utilisation est particulièrement bien adapté pour intensifier les échanges de réactions. Néanmoins il est moins répandu que le RPA car moins mature (TRL 4-5).

Sa forme se compose d’un cylindre métallique pouvant fonctionner à haute pression (P>10 bar) comportant elle-même un nombre importants de garnissages métalliques favorisant l’évolution des populations d’archées méthanogènes. Le réacteur est majoritairement composé de gaz à l’inverse du Réacteur Parfaitement Agité. Le liquide contenant les bactéries est pulvérisé par le haut de l’édifice à contre-courant du flux de gaz (CO2+H2), intensifiant ainsi l’échange. Une pompe de recirculation permet de recycler les populations de bactéries en excès au fond du cylindre pour un nouveau cycle tout en contrôlant la température.

En fonctionnement continu, un biofilm va se créer autour du garnissage permettant d’accroitre encore le rendement de la réaction. Le rendement par volume de réacteur est alors 3 fois plus important qu’avec un RPA. Il est possible de convertir jusqu’à 96% du CO2 en CH4.

Les principaux acteurs industriels travaillant sur cette technologie sont GICON (projet Co-métha), projet ORBIT (Westnetz, Electrochea, MicroPyros).

Schéma type d’un projet actuellement développé avec une méthanation biologique : Projet d’Averdøre au Danemark

Un des plus larges projets de méthanation biologique d’Europe se situe au Danemark, au sein de la station d’épuration de Biofos à Avedøre, en banlieue de Copenhague. L’installation a été construite par la société Electrochaea, avec l’aide d’Audi, Hydrogenics, NEAS Energy, HMN Naturgas, Biofos et Insero. Le budget total du projet (partie méthanation uniquement) est estimé à 6,7 m€.

En fonctionnement « maximal » les 12 électrolyseurs alcalins (Pu=100 kW, Pmax=1.2 MW) délivrent 200 Nm3/h d’Hydrogène qui vont être combinés au CO2 extrait du biogaz issu d’une méthanisation d’eaux usées de la station de traitement d’eau voisine ; permettant en sortie la production de 50 Nm3/h de biométhane supplémentaire.

Un des avantages du projet -bien qu’il n’ait pas encore été testé sous ces conditions- est la capacité des électrolyseurs à fonctionner entre 40 et 100% de leur charge maximale, permettant ainsi d’être présent sur le marché des services auxiliaires d’électricité. Ces enchères peuvent atteindre des rémunérations très intéressantes de plusieurs dizaines de milliers d’euros par MW et convertir ainsi l’électricité excédentaire du réseau (notamment éolienne) en biométhane, pour être stocké et utilisé au meilleur moment.[v] Ce type de projet pilote démontre la complémentarité entre les réseaux d’électricité et de gaz.

La méthanation biologique est une brique technologique importante bien qu’encore très perfectible notamment avec des technologies plus compactes, sans quoi elle risque de rester adosser à des projets relativement petits (< 100 Nm3/h -environ 1MWh- de syngaz produit).

À l’avenir, elle permettra, si le passage à l’échelle aboutit à des baisses de coûts (CAPEX et OPEX des technologies)[vi], le développement des différentes filières de production de gaz renouvelables : la conversion du syngaz issu de pyrogazéification en biométhane injectable, ainsi que l’amélioration du rendement de la méthanisation, tout en valorisant le surplus de CO2.

La méthanation biologique est amenée à se développer dans le futur, notamment sous l’impulsion de la baisse des coûts de l’H2 produit à partir d’électrolyse et sous condition d’un contexte local favorable. Cette baisse de coût profitera particulièrement à la filière méthanisation car elle pourra venir remplacer les unités classiques d’épuration du gaz par un réacteur de méthanation biologique tout en augmentant les rendements de production. Ces filières sont vertueuses pour l’environnement en contribuant à réduire les émissions de GES et sont porteuses d’externalités positives (emplois locaux, utilisation des sols, traitement des déchets..).

Une analyse de Mathieu Morel

Notes & Références:

[i] Projet révisé de PPE : la nouvelle feuille de route présentée

[ii] Injection hydrogène réseaux 20% en 2030 

[iii] La start-up française Enosis semble toutefois se diriger vers une technologie de colonne à bulles avec son concept « BIO-AERIO »[iii] mais n’a pas encore communiquée officiellement à ce sujet

[iv] Biological CO2-Methanation: An Approach to Standardization, revue Energies, MDPI, 2019

[v] C’est d’ailleurs le sens du projet porté par MicrobEnergy et Audi à Allendorf 

[vi] L’étude portée par l’ensemble des gaziers européens [Gas for Climate. The optimal role for gas in a net-zero emissions energy system, NAVIGANT, 2019] donne à horizon 2050, un coût actualisé du Power-to-Methane (uniquement CAPEX et OPEX du réacteur de méthanation -tout type) à 20€/MWh.