Biogaz propre - mesurable de manière universelle
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Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont développé une nouvelle méthode d'analyse qui détecte même les plus petites quantités d'impuretés critiques dans le biogaz. Même les petites installations de biogaz peuvent utiliser ce procédé sans grand investissement - ce qui favorise le tournant énergétique.
Le marché du biogaz est en pleine croissance : selon les données de l'Office fédéral de l'énergie, la Suisse a injecté l'année dernière 471 gigawattheures de cette source d'énergie dans le réseau de gaz naturel, soit environ deux fois plus qu'il y a dix ans. Il est donc de plus en plus nécessaire de pouvoir mesurer rapidement et de manière fiable les impuretés du biogaz, car ce gaz vert est soumis à des critères de qualité très stricts.
Les chercheurs du Centre des sciences de l'énergie et de l'environnement du PSI ont désormais une solution à proposer. Ils ont développé pour la première fois une méthode d'analyse qui détecte simultanément les deux impuretés les plus critiques dans le biogaz : Composés soufrés et siloxanes. Ils présentent leur méthode dans la revue spécialisée Progress in Energy.
Une production à l'échelle nationale
Plus de 160 installations de biogaz en Suisse produisent le précieux mélange gazeux à partir de déchets, de lisier et de fumier ; à cela s'ajoutent des centaines de stations d'épuration des eaux usées qui font fermenter les boues d'épuration dans des tours de fermentation pour obtenir un gaz d'épuration de composition similaire, un sous-genre du biogaz.
Ce gaz vert est composé de 50 à 75 pour cent de méthane et d'au moins un quart de dioxyde de carbone. En séparant le dioxyde de carbone, on obtient du biométhane qui peut être injecté dans le réseau de gaz naturel. Le biogaz - et donc le biométhane - peut toutefois contenir de nombreuses impuretés dans des proportions de l'ordre du millionième. "Malgré leur infime concentration, ces dernières causent d'énormes problèmes", explique Ayush Agarwal, qui a consacré sa thèse de doctorat au PSI à l'analyse du biogaz et qui est le premier auteur de l'étude.
Les substances perturbatrices les plus redoutées sont par exemple les composés organiques soufrés : Ils se forment lorsque les bactéries décomposent les protéines qui contiennent des atomes de soufre. Les siloxanes, quant à eux, sont des composés contenant du silicium qui, dans les gels douche par exemple, donnent une sensation agréable à la peau. Avec le gel douche, les siloxanes sont également évacués par les canalisations et atterrissent dans la station d'épuration - et finalement dans le biogaz.
Un poison pur pour les piles à combustible
Lorsque le biométhane est brûlé pour produire de l'énergie, par exemple dans des chaudières à gaz, les siloxanes réagissent de manière extrêmement indésirable : Ils forment du dioxyde de silicium, un composant du sable et l'un des composés les plus stables sur terre. "Il obstrue les systèmes de combustion, les installations ont par exemple besoin de plus d'énergie pour chauffer la même quantité d'eau", explique Agarwal. Cela ressemble donc à une bouilloire qui s'est densément encrassée de calcaire.
En outre, les siloxanes et les composés organiques soufrés empêchent jusqu'à présent l'utilisation du biométhane dans une pile à combustible. Les piles à combustible produisent de l'électricité à partir de gaz riches en énergie, mais les composés soufrés sont un pur poison pour elles. Le biométhane ne peut donc pas être utilisé dans les piles à combustible pour le moment. Les impuretés sont également gênantes lors du traitement du biogaz en biométhane pouvant être rejeté. En bref : "Même à l'état de traces, les siloxanes et les composés organiques soufrés sont nocifs".
Mesurer pour améliorer
En Suisse, comme dans le reste de l'Europe, des valeurs limites strictes s'appliquent aux composés soufrés et aux siloxanes dans le biogaz - condition préalable à l'injection de biométhane dans le réseau de gaz public et à l'exploitation d'installations de biogaz comme fournisseur de carburant.
Les grandes installations de biogaz disposent de systèmes d'épuration pour débarrasser le gaz des substances indésirables. Les exploitants mesurent la composition de leur biogaz à l'aide d'appareils analytiques et peuvent ainsi vérifier l'efficacité de leurs systèmes d'épuration. Une bonne analytique est donc la condition sine qua non pour que l'ensemble du système du biogaz fonctionne : "On ne peut améliorer quelque chose que si on peut bien le mesurer", résume Agarwal.
Dans le cadre de sa thèse de doctorat au Centre des sciences de l'énergie et de l'environnement du PSI, le scientifique a développé une méthode analytique robuste qui détecte simultanément les siloxanes et les composés organiques soufrés - jusqu'à des traces de quinze milliardièmes, ce qui signifie que pour un milliard de molécules, il y a exactement quinze molécules de l'impureté - une quantité vraiment minuscule.
Un coup de pouce pour la transition énergétique
Les chercheurs du PSI ont également développé une solution pratique pour les petites installations de biogaz qui ne disposent pas d'appareils d'analyse sur place. Les échantillons de biogaz peuvent être prélevés à l'aide d'un appareil mobile qui dissout les gaz dans un liquide. Il a été démontré que même de faibles quantités d'impuretés s'y conservent pendant au moins 28 jours - un temps suffisant pour envoyer les échantillons à un laboratoire d'analyse, qui les mesurera ensuite.
L'applicabilité universelle de la méthode d'analyse permet de l'utiliser largement dans tout le pays et de faire ainsi progresser l'utilisation du biogaz. "C'est un bon exemple de la manière dont nous faisons de la recherche appliquée au PSI, qui apporte des solutions concrètes aux défis actuels", explique Christian Ludwig, également chercheur au Centre des sciences de l'énergie et de l'environnement et co-auteur de l'étude.
Voici comment fonctionne la méthode
Un appareil de chromatographie en phase gazeuse sépare d'abord les composants du biogaz. Ensuite, ils sont saisis l'un après l'autre par une méthode appelée "spectrométrie de masse avec plasma à couplage inductif". Les composants de l'échantillon sont vaporisés, décomposés en leurs constituants atomiques et transformés en particules chargées. Ensuite, le spectromètre de masse saisit les isotopes des différents éléments et les quantifie.
L'astuce est que l'appareil ne détecte que certains éléments sélectionnés au préalable et ignore tous les autres. Il est ainsi possible de détecter le soufre et le silicium, même en très petites quantités, à côté d'une multitude d'autres composés dans le biogaz. "A notre connaissance, il s'agit de la première méthode de ce type capable de déterminer simultanément les composés de soufre et de silicium", explique Agarwal.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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