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La Weltwoche
Le gaz naturel constitue une base importante de l’approvisionnement énergétique mondial. Comme sa combustion génère du CO2, il est désavantagé dans les stratégies énergétiques visant la décarbonisation. Il existe toutefois la possibilité d’utiliser le gaz de manière à ce qu’il fournisse, en plus de la chaleur, un matériau carboné utile au lieu de CO2. Christian Bach, chef du département Porteurs d’énergie chimiques et systèmes de véhicules à l’institut de recherche Empa, qui fait partie du domaine des EPF, explique comment cela pourrait réhabiliter l’honneur du réseau de gaz. Nous le rencontrons sur son lieu de travail à Dübendorf.
Weltwoche: Fin novembre, l’Association pour la décarbonisation de l’industrie a inauguré une installation de pyrolyse du méthane chez le fabricant d’appareils ménagers V-Zug. Vous êtes, en tant que représentant de l’Empa, co‑initiateur de ce projet. En termes simples: que fait‑on exactement dans cette installation?
Christian Bach: Dans cette installation, le gaz naturel ou le biogaz n’est pas simplement brûlé pour produire de la chaleur, car cela a une conséquence indésirable, à savoir la formation de CO2. Dans la pyrolyse du méthane, le carbone est séparé du gaz naturel ou du biogaz avant la combustion, sous forme de poudre de carbone, de sorte qu’aucun CO2 ne puisse se former.
Weltwoche: Peut‑on donc dire grossièrement que l’on n’utilise, dans le méthane, que la partie hydrogène pour produire la chaleur souhaitée et que l’on retire le carbone afin qu’aucun CO2 indésirable n’en résulte?
Bach: Oui, exactement. Les molécules de méthane, principal constituant du gaz naturel ou du biogaz, ont la formule chimique CH4, c’est‑à‑dire qu’un atome de carbone (C) est toujours lié à quatre atomes d’hydrogène (H). Il faut rompre ces liaisons pour séparer l’hydrogène du carbone.
Weltwoche: À quel point est‑ce difficile?
Bach: Lorsqu’on veut dissocier des molécules, il faut surmonter la force de liaison qui les maintient ensemble. Pour cela, il faut fournir de l’énergie aux molécules, sous forme de chaleur ou – comme dans notre cas – de rayonnement électromagnétique provenant d’un générateur de micro‑ondes. Comme, dans le méthane, il n’y a pas de doubles liaisons entre C et H, mais uniquement des liaisons simples, cette molécule peut être dissociée avec un effort énergétique relativement faible.
Weltwoche: Comment fonctionne exactement l’installation de Zoug?
Bach: On peut imaginer que la pyrolyse, en tant que réaction principale, se déroule dans une petite chambre, d’environ la taille d’une boîte à chaussures. Dans cette chambre, on introduit un rayonnement micro‑ondes défini, exactement comme dans un four à micro‑ondes de cuisine. Dans la cuisine, le rayonnement micro‑ondes met en vibration les molécules d’eau ou de graisse, ce qui les chauffe. Si l’on n’expose pas de l’eau ou des aliments au rayonnement, mais un gaz approprié comme l’azote, des électrons sont arrachés lorsque la puissance micro‑ondes est suffisante; ceux‑ci, dès que l’on introduit du méthane, dissocient alors les molécules de méthane.
Weltwoche: Donc en H2 et C?
Bach: Oui, ainsi qu’en une petite quantité d’autres hydrocarbures. Le tout se déroule sous forme de « plasma », un gaz magnifiquement lumineux de couleur violette, composé de molécules électriquement chargées, c’est‑à‑dire d’ions, et d’électrons. La dissociation se fait en étapes partielles complexes, que nous avons étudiées au laboratoire dans le cadre d’une thèse de doctorat. Le carbone forme des microparticules qui se regroupent en petits agrégats, lesquels sont ensuite déposés sous forme de poudre noire. Cette poudre noire correspond au CO2 qui se serait retrouvé dans l’atmosphère si le méthane avait été brûlé sans séparation du carbone.
Weltwoche: Qu’y a‑t‑il de nouveau dans votre approche?
Bach: Le procédé aujourd’hui largement répandu dans l’industrie pour la production d’hydrogène à partir de méthane est le vaporeformage. Dans ce procédé, le carbone n’est pas séparé sous forme de poudre, mais transformé en CO2 et émis.
Weltwoche: Et la différence avec votre approche, par rapport au vaporeformage, est que celui‑ci génère du CO2?
Bach: Oui, la filière hydrogène par vaporeformage présente des émissions de CO2. La pyrolyse du méthane pourrait, à l’avenir, remplacer cette filière hydrogène conventionnelle.
Weltwoche: Ne peut‑on pas, dans la voie conventionnelle, également capter les émissions de CO2 et les déposer quelque part?
Bach: Si, mais pour des installations décentralisées, cela est complexe et nécessite des infrastructures appropriées de liquéfaction, de transport et de stockage du CO2, qui n’existent pas aujourd’hui. La pyrolyse du méthane ne nécessite pas de nouvelles infrastructures. On a toutefois l’inconvénient de produire simultanément deux substances qu’il faut également commercialiser.
Weltwoche: Le fait de devoir les commercialiser est‑il un inconvénient?
Bach: Cela dépend de la situation. Si l’on a un débouché pour les deux substances, c’est même économiquement intéressant. Si l’on ne trouve des clients que pour l’hydrogène ou uniquement pour le carbone, c’est un inconvénient.
Weltwoche: Le carbone a‑t‑il au moins l’avantage d’être facile à manipuler?
Bach: Exactement, et il ne faut pas sous‑estimer cela. Le CO2 produit lors du vaporeformage classique peut certes être capté, transporté et stocké, mais il doit – s’il est stocké sous forme gazeuse – être surveillé. Dans la pyrolyse du méthane, en revanche, on obtient simplement une poudre noire qui peut, par exemple, être mélangée au béton ou à l’asphalte et ainsi être stockée. Il faut certes le faire correctement, mais cela ne génère ensuite aucun coût ultérieur. La quantité de carbone stocké, ou de CO2 évité, peut être facilement déterminée en le pesant. Il n’est pas nécessaire de recourir à des modèles ou des calculs complexes.
Weltwoche: Le carbone a‑t‑il une valeur marchande?
Bach: Oui, notre objectif est de développer la poudre de carbone en produits de « carbon black ». Le « carbon black » est aujourd’hui produit de manière très inefficace à partir d’énergie fossile et utilisé en grandes quantités dans l’industrie pour les pneus, les matériaux en caoutchouc, les joints, les adhésifs et les batteries. La pyrolyse du méthane peut être utilisée pour décarboniser des processus industriels en retirant le carbone du combustible, lequel sert ensuite de substitut au « carbon black » conventionnel. On peut ainsi faire d’une pierre deux coups.
Weltwoche: Pouvez‑vous quantifier cela?
Bach: Si l’on compare la pyrolyse du méthane à la production conventionnelle d’hydrogène et de « carbon black », la pyrolyse du méthane présente, premièrement, l’avantage de permettre jusqu’à 90 % d’émissions directes de CO2 évitées et, deuxièmement, un rendement global supérieur de jusqu’à 40 %.
Weltwoche: Peut‑on déjà dire cela pour l’échelle industrielle?
Bach: Non, la pyrolyse du méthane, dans la forme utilisée à Zoug, se trouve à la frontière entre démonstrateurs de recherche et démonstrateurs industriels. Cette technologie doit encore être industrialisée. Cela signifie agrandir les installations, les rendre plus compactes et éventuellement intégrer aussi le traitement du carbone. Le rendement peut également être amélioré. Il faut garder à l’esprit qu’il existe différents concepts techniques pour la pyrolyse du méthane. Nous avons opté pour une approche décentralisée sans stockage d’hydrogène.
Weltwoche: Qu’est‑ce que cela signifie?
Bach: Cela signifie que l’hydrogène produit doit être consommé directement sur place et que l’installation doit pouvoir être rapidement mise en marche et arrêtée. On peut ainsi se passer d’infrastructures complexes de distribution d’hydrogène. Sur la base des Perspectives énergétiques 2050+ de l’Office fédéral de l’énergie, nous avons estimé qu’il existe en Suisse plusieurs centaines à quelques milliers d’installations de ce type avec des processus à haute température. Le four d’émaillage de V‑Zug, l’un de ces processus, avec une puissance de 1,4 mégawatt, n’est donc, espérons‑le, que le début.
Weltwoche: Décentralisé signifie‑t‑il davantage d’autonomie?
Bach: Décentralisé signifie avant tout qu’aucune nouvelle infrastructure n’est nécessaire, ce qui permet une mise en œuvre rapide. Pour pouvoir également se passer de stockage d’hydrogène, l’installation doit pouvoir être rapidement mise en marche et arrêtée. Il est ainsi possible de ne produire de l’hydrogène que lorsqu’il peut être directement utilisé.
Weltwoche: L’installation de pyrolyse du méthane se trouve donc à quelques mètres du four d’émaillage, le consommateur d’hydrogène?
Bach: Elle se trouve à environ 200 mètres du four d’émaillage. Dans le four de V‑Zug, des pièces en tôle revêtues de poudre sont émaillées à environ 850 degrés. Cela donne le revêtement céramique dur bien connu sur les plaques à pâtisserie et d’autres parties du four. Dans ce four, seize brûleurs sont utilisés, qui, dans le cas conventionnel, brûlent du gaz naturel, avec les émissions de CO2 correspondantes. En vue de leurs objectifs de zéro émission nette, V‑Zug et les entreprises impliquées ont recherché des solutions à faibles émissions de CO2, voire à émissions négatives de CO2. Cela a finalement conduit à discuter de l’utilisation de la pyrolyse du méthane.
Weltwoche: Il reste donc que du gaz arrive toujours à l’usine, mais il n’est plus brûlé de manière conventionnelle?
Bach: C’est exact. C’est la même conduite de gaz qui alimente déjà le four d’émaillage. Avec l’installation actuelle de pyrolyse du méthane, le four ne peut toutefois être alimenté qu’à environ un tiers avec de l’hydrogène. Pour les deux autres tiers, on reste au gaz naturel ou au biogaz. Si l’approche fait ses preuves, V‑Zug examinera, après le projet de démonstration actuel, la réalisation d’une installation permettant un fonctionnement à l’hydrogène sur l’ensemble de la plage de fonctionnement. Afin de tester également le fonctionnement en hydrogène pur, nous effectuerons des essais dans lesquels le four ne fonctionnera qu’à un tiers de sa puissance, mais avec 100 % d’hydrogène.
Weltwoche: La combustion de l’hydrogène est‑elle facile à maîtriser?
Bach: En principe, oui; la principale différence avec le gaz naturel réside dans une autre surveillance de la flamme et dans des matériaux plus exigeants, car l’hydrogène peut avoir un effet fragilisant sur certains matériaux. Le fabricant du four et celui des brûleurs sont impliqués dans le projet et ont approuvé l’installation pour un fonctionnement à l’hydrogène pur. Bien entendu, les questions de sécurité sont également centrales. Nous travaillons à ce sujet avec le Swiss Safety Center, qui nous conseille sur tous les aspects de la sécurité. Mais comme l’hydrogène est utilisé depuis longtemps dans l’industrie, tout cela est bien couvert sur le plan réglementaire et le savoir‑faire existe. De plus, les systèmes à hydrogène peuvent être facilement testés quant à leur étanchéité par une mesure de pression, car même en cas de très petites fuites, on constate immédiatement une perte de pression.
Weltwoche: Mais l’hydrogène est difficile à préparer pour le transport?
Bach: Oui, le transport est probablement le plus grand obstacle aux applications de l’hydrogène. C’est pourquoi nous avons choisi une solution décentralisée. Si l’on produit l’hydrogène de manière centralisée et qu’on veut ensuite le livrer à des lieux d’utilisation décentralisés, c’est, premièrement, techniquement complexe et, deuxièmement, coûteux. Aujourd’hui, l’hydrogène est souvent transporté par camion, mais personne ne souhaite davantage de trafic de camions.
Weltwoche: La première tâche de votre installation à Zoug, la production d’hydrogène, peut donc être considérée comme accomplie. La deuxième partie, le traitement du carbone, devient‑elle maintenant tout aussi importante?
Bach: En effet, la production et l’utilisation locales de l’hydrogène sont relativement simples. La deuxième partie de l’installation consiste en le traitement du carbone. Pour séparer le carbone de l’hydrogène, il a fallu développer un filtre approprié. Et une fois le carbone séparé, on obtient une micropoudre qui n’est pas facile à manipuler et qui est exigeante du point de vue sanitaire. C’est pourquoi nous avons développé, avec une autre entreprise suisse, un concept de granulation du carbone afin de transformer cette poudre en petites billes de deux à cinq millimètres de diamètre, qui ne posent pas de problème pour le transport et la manipulation.
Weltwoche: Où se situe approximativement la valeur marchande dont vous parliez auparavant?
Bach: Le prix du marché pour le « carbon black » se situe entre 1500 et 2500 francs par tonne. Converti en prix du CO2, cela représente 500 à 800 francs par tonne de CO2, une valeur relativement élevée.
Weltwoche: Et à quoi ressemble le marché?
Bach: L’industrie du pneu représente, avec environ 50 %, la plus grande part de ce marché au niveau mondial. Ce marché est en croissance, car les pneus deviennent plus grands et davantage de voitures sont vendues. Mais le « carbon black » est également présent dans de nombreux autres produits: dans les batteries, les revêtements de surface, les matériaux d’étanchéité et les adhésifs. Le « carbon black » est un matériau hautement structuré qui rend le caoutchouc souple, durable et résistant, par exemple au rayonnement solaire ou à la chaleur.
Weltwoche: Mais la poudre issue de votre pyrolyse du méthane doit d’abord être transformée en un « carbon black » approprié?
Bach: C’est l’un des axes principaux de l’Association pour la décarbonisation de l’industrie, qui mène le projet à Zoug. Nous allons bientôt commencer à développer un procédé permettant de transformer ce carbone en un produit de « carbon black » certifié.
Weltwoche: Donc, en plus de l’hydrogène, comme deuxième produit issu de la pyrolyse du méthane?
Bach: Oui, et à long terme, un troisième produit semble également possible. Si l’on utilise du biogaz renouvelable ou du méthane synthétique au lieu de gaz naturel fossile, il en résulte des émissions négatives de CO2, car la production de biogaz ou de méthane synthétique a conduit à l’extraction de CO2 de l’atmosphère. Ces émissions négatives auront une valeur marchande et pourraient constituer le troisième produit à commercialiser. C’est pourquoi, selon notre évaluation préliminaire prudente, le procédé de pyrolyse est, à long terme, économiquement intéressant, à condition qu’aucun obstacle imprévu ne survienne.
Weltwoche: Donc un modèle dans lequel, par exemple, dans des régions désertiques disposant de beaucoup d’énergie solaire inutilisée, on produit du méthane synthétique en extrayant du CO2 de l’atmosphère? Et ensuite, direction la pyrolyse en Suisse?
Bach: C’est le plan. On pourrait ainsi acheminer du méthane renouvelable vers la Suisse via les infrastructures et mécanismes commerciaux existants, mais sans le brûler comme méthane, car cela réémettrait le CO2 extrait de l’atmosphère au prix d’un grand effort. Au lieu de cela, la pyrolyse du méthane permettrait de séparer le carbone et de l’utiliser comme matériau ou de le stocker à long terme dans le béton. Ce concept pourrait être appliqué pendant des milliers d’années sans impact environnemental négatif. Cela n’est pas possible avec le gaz naturel fossile, car après cinquante ou cent ans, les réserves seraient épuisées.
Weltwoche: Un groupe suisse a déjà esquissé avec Oman un projet de production de combustibles et carburants durables dans le désert, vous y êtes également impliqué.
Bach: C’est, à mon avis, un projet extrêmement passionnant. Il est prévu qu’une grande installation produise chaque année environ deux térawattheures de combustibles et carburants durables. Cela représente environ 150 000 tonnes par an. Si l’on compare cela aux quinze térawattheures de consommation annuelle de gaz estimés pour la Suisse en 2050 dans les Perspectives énergétiques, il faudrait sept ou huit installations de ce type, comme celles que nous discutons actuellement à Oman. Les installations devraient être placées de manière stratégique pour garantir un approvisionnement résilient, par exemple aussi en Afrique du Nord ou en Amérique du Sud. Cette solution serait, à mon avis, réalisable tant sur le plan énergétique qu’économique. Nous travaillons sur une étude préliminaire et essayons de constituer, à l’été 2026, un consortium industriel qui mettra en œuvre un tel projet à Oman.
Weltwoche: Qui sont les concurrents qui travaillent sur la pyrolyse du méthane?
Bach: Il existe une grande installation de la société Monolith aux États‑Unis, dans le Nebraska, qui produit déjà du « carbon black » à grande échelle pour l’industrie du pneu. Elle constitue une sorte de fer de lance en matière de grandes installations. Pour la Suisse, nous considérons, comme je l’ai dit, que des installations plutôt décentralisées sont plus judicieuses, par exemple pour la chaleur de procédé dans l’industrie métallurgique ou du ciment, ainsi que pour la production de chaleur à distance. Il existe actuellement une poignée d’entreprises qui réalisent des installations de démonstration, souvent avec des technologies quelque peu différentes. Toutes ont leurs avantages et inconvénients spécifiques, c’est pourquoi il faut bien comprendre l’application pour choisir la technologie la plus adaptée.
Weltwoche: Selon vous, combien de temps le réseau de gaz existera‑t‑il encore?
Bach: Je pense que le réseau de gaz existera encore longtemps; le gaz naturel fossile, en revanche, n’existera, espérons‑le, bientôt plus et aura été remplacé par du biogaz et du méthane synthétique.
Weltwoche: Les nouvelles technologies apportent‑elles une sorte de réhabilitation pour le gaz naturel, ouvrent‑elles de nouvelles voies?
Bach: Pas pour le gaz naturel, mais je dirais une réhabilitation pour le réseau de gaz. Car il permet non seulement de bien distribuer un vecteur énergétique, mais il pourrait aussi servir à réaliser des émissions négatives de CO2 et devenir ainsi un instrument pertinent pour le climat.
