L'industrie est, à côté du parc immobilier et de la mobilité, le troisième plus gros consommateur d'énergie en Suisse. En particulier, les processus à haute température dans la métallurgie et l'industrie chimique, qui fonctionnent souvent au gaz naturel, entraînent une consommation d'énergie finale de ce secteur d'environ 22 térawattheures par an. En collaboration avec le Tech Cluster Zoug, le canton de Zoug et plus d'une douzaine d'autres partenaires, l'Empa s'est associé en 2022 à l'"Association pour la décarbonisation de l'industrie" (ApDI).

Chaleur industrielle à haute température
Dans ce cadre, les chercheurs de l'Empa veulent contribuer à la décarbonisation de la chaleur industrielle à haute température. "Nous prenons la décarbonisation au pied de la lettre", explique Christian Bach, chef du laboratoire "Automotive Powertrain Technologies" de l'Empa. "Grâce à un procédé de pyrolyse, nous séparons le carbone du gaz naturel avant la combustion". Ce qui reste, c'est l'hydrogène, avec lequel les processus industriels à haute température peuvent fonctionner, et le carbone séparé sous forme de poudre, qui doit être développé pour des applications dans la construction et l'agriculture. Une installation de démonstration correspondante est en cours de conception et sera construite à Zoug au cours des deux prochaines années. L'hydrogène y sera utilisé dans le four d'émaillage de V-Zug AG.

Double rayonnement solaire
Si l'on utilise du méthane synthétique à la place du gaz naturel, il est même possible de réaliser des émissions de gaz à effet de serre négatives sur l'ensemble du processus. En effet, pour la production de méthane synthétique, on prélève du CO2 dans l'atmosphère, qui n'est plus émis, mais disponible sous forme de carbone solide. "Il n'est toutefois pas réaliste de penser que nous pourrons couvrir les énormes besoins énergétiques de notre industrie par une production nationale d'hydrogène renouvelable ou de méthane synthétique", déclare Christian Bach. C'est pourquoi il se tourne vers les régions désertiques de la planète, là où le rayonnement solaire par mètre carré est deux fois plus élevé qu'en Suisse.

Objectif : chaleur à haute température avec des émissions négatives
La production de méthane synthétique dans le désert, son transport vers l'Europe et la pyrolyse qui s'ensuit sont toutefois des processus qui génèrent des pertes. En conséquence, les bilans énergétiques et en termes de gaz à effet de serre de l'ensemble du processus doivent être examinés à la loupe. Christian Bach et son équipe ont analysé toute la chaîne d'approvisionnement avec des représentants de la ApDI et l'ont comparée à d'autres procédés. La valeur de comparaison est un mégawattheure (MWh) de chaleur à haute température pour l'industrie. Si l'on utilise du gaz naturel pour la fournir, comme c'était le cas jusqu'à présent, il faut 1,2 MWh d'énergie primaire et 288 kg de CO2 (ou d'équivalents CO2) sont émis. L'énergie primaire comprend également l'énergie utilisée pour l'extraction du gaz – par exemple au Proche-Orient – et son transport, et tient compte des pertes dues à l'infiltration de méthane. Environ un cinquième des émissions est généré lors de la mise à disposition du gaz naturel, le reste lors de son utilisation.

Si le gaz naturel est décarbonisé par pyrolyse avant d'être utilisé à des fins énergétiques et que seul l'hydrogène ainsi produit est utilisé pour la production de chaleur à haute température, les émissions de CO2 peuvent être réduites de 40% à 178 kg. Dans le même temps, les besoins en énergie primaire augmentent en raison de la quantité de gaz naturel nécessaire et de l'électricité supplémentaire requise pour la pyrolyse. Dans ce scénario, 1 MWh de chaleur à haute température nécessite 2.6 MWh d'énergie primaire.

Plus d'énergie, moins d'émissions
Si l'on utilise du méthane synthétique renouvelable à la place du gaz naturel fossile, les émissions de CO2 deviennent effectivement négatives, mais la demande en énergie primaire continue d'augmenter. Le bilan repose sur l'hypothèse que le CO2 nécessaire à la production de méthane synthétique est extrait directement de l'atmosphère au moyen d'une installation de "Direct-Air-Capturing". "Cela nécessite une grande quantité d'énergie", explique Christian Bach, ce qui explique pourquoi il imagine ce type d'installation surtout dans les régions désertiques. S'ajoute à cela le fait que la fabrication d'installations solaires et éoliennes est également liée à des émissions. Si l'on tient compte de tous ces facteurs, l'utilisation directe du méthane synthétique pour produire 1 MWh de chaleur à haute température nécessite 3,5 MWh d'énergie primaire et émet 126 kg de CO2. Mais si l'on sépare le carbone de l'hydrogène par pyrolyse et que l'on n'utilise que cette partie pour produire de l'énergie, le bilan des émissions devient négatif : l'ensemble du processus entraîne des émissions négatives de -77 kg de CO2 – mais avec une consommation d'énergie primaire encore plus élevée de 6.2 MWh.

"Bien sûr, la dépense d'énergie primaire de ce concept est élevée – environ deux fois et demie à trois fois plus que la production d'hydrogène la plus efficace en Suisse", admet Christian Bach. "Mais comme il est possible de produire deux à deux fois et demie plus d'électricité par mètre carré de photovoltaïque dans les régions désertiques que chez nous, cette approche ne nécessite guère plus de surface photovoltaïque". L'un des défis est le coût. Mais si l'on parvenait à commercialiser le carbone comme matière.

Texte: Empa