Le principe de l'"upcycling" ne s'applique pas seulement aux vêtements, appareils ou meubles mis au rebut, mais aussi à l'approvisionnement en gaz, comme le proposent des chercheurs de l'Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW) : les villes pourraient réutiliser les déchets de l'industrie et des stations d'épuration pour produire du gaz durable à l'aide d'électricité renouvelable. Bien que les villes ne puissent ainsi couvrir qu'une petite partie de leurs besoins en gaz, la production urbaine de gaz présenterait des avantages écologiques et économiques évidents et pourrait compléter les importations de gaz. C'est ce que montrent les chercheurs en prenant l'exemple de Berlin dans le cadre d'un projet financé par le ministère fédéral de l'Économie et de la Protection du climat.

Jusqu'à présent, environ un quart de l'énergie primaire consommée en Allemagne repose sur le gaz naturel. "Pour atteindre le plus rapidement possible la neutralité climatique à Berlin, mais aussi dans toute l'Allemagne, et pour obtenir une plus grande sécurité d'approvisionnement, nous devons réussir à contourner le gaz naturel", explique Elisa Dunkelberg, experte en énergie à l'IÖW. "Pour cela, il est important de réduire autant que possible la consommation de gaz pour le chauffage, la production d'électricité et l'industrie. Et là où le gaz ne peut pas être remplacé, il faudrait à l'avenir utiliser surtout de l'hydrogène vert et du méthane synthétique".

Le projet de recherche UMAS, dirigé par la société Berliner Erdgasspeicher GmbH, a étudié comment un tel gaz pourrait être produit à Berlin et quels procédés permettent particulièrementd'économiser beaucoup de CO₂ par rapport au gaz naturel. Conclusion : la production de gaz dans les villes à partir d'électricité renouvelable serait avantageuse pour l'environnement - parce que les déchets peuvent être utilisés, parce que les distances de transport et les pertes sont faibles et parce que la chaleur résiduelle produite peut être particulièrement bien utilisée. Comme le gaz se stocke mieux que l'électricité, le procédé sert en outre de stockage "power-to-gas" pour la transition énergétique urbaine. Cela est nécessaire pour compenser les "périodes creuses", pendant lesquelles ni l'énergie solaire ni l'énergie éolienne ne sont produites, ainsi que les fluctuations de la demande. L'étude montre que des solutions compétitives se dessinent déjà pour la production d'hydrogène en milieu urbain. Pour produire du méthane sur place, il faut encore davantage de recherche et de développement, selon les scientifiques.

L'hydrogène le plus vert pourrait provenir des stations d'épuration des eaux usées
Les chercheurs estiment que la "plasmalyse des eaux usées" dans les stations d'épuration est particulièrement bon marché et respectueuse du climat. Ce nouveau procédé, développé par la société Graforce, utilise de l'électricité renouvelable pour séparer l'hydrogène de l'ammonium contenu dans les eaux usées. "Ce procédé est une formidable opportunité pour réduire les émissions de protoxyde d'azote des stations d'épuration, nuisibles au climat, tout en produisant de l'hydrogène à bas prix", explique Elisa Dunkelberg. Le potentiel est certes limité, mais il y a des stations d'épuration dans chaque ville.

En outre, les eaux usées de certains secteurs industriels pourraient également se prêter à ce procédé, comme celles provenant du recyclage du papier, de l'épuration des gaz de combustion et des installations de biogaz. Si tous ces potentiels sont exploités, on estime que la plasmalyse des eaux usées peut couvrir jusqu'à 5 % des besoins en hydrogène prévus à Berlin. "La plasmalyse est également plus efficace et nécessite moins d'électricité que l'électrolyse, qui décompose l'eau en hydrogène et en oxygène. Les coûts sont donc environ deux fois moins élevés et peuvent également concurrencer l'hydrogène importé", explique Janis Bergmann, économiste de l'énergie à l'IÖW.

Mais d'un point de vue écologique, le procédé d'électrolyse s'en sort également mieux que le gaz naturel, surtout si l'on utilise la chaleur résiduelle produite et qu'on l'injecte par exemple dans le réseau de chauffage urbain. Toutefois, les coûts de production en milieu urbain sont généralement plus élevés que dans les régions venteuses, comme la mer du Nord et la mer Baltique. Mais pour atteindre les objectifs de la politique climatique, il sera probablement nécessaire de produire de l'hydrogène dans des endroits moins productifs. "Les villes devraient exploiter leurs potentiels locaux tant pour la plasmalyse des eaux usées que pour l'électrolyse", recommande donc Dunkelberg.

L'hydrogène peut d'ores et déjà être injecté dans le réseau de gaz - actuellement jusqu'à une proportion de 10 %, et même de 20 % en perspective. Mais à l'avenir, l'hydrogène produit localement pourrait également atterrir dans des gazoducs et des centrales électriques spécialement construits à cet effet - ou être utilisé pour la production de méthane. S'il est certes plus efficace d'un point de vue énergétique d'utiliser directement l'hydrogène, la production de méthane dans les villes présente également des avantages : Le méthane est une source d'énergie qui se stocke facilement et qui peut être utilisée sans restriction dans les infrastructures existantes.

Ici aussi, le principe de l'"upcycling" s'applique : pour produire du méthane, il faut non seulement de l'hydrogène et de l'électricité, mais aussi et surtout du dioxyde de carbone - un produit de déchet qui se forme dans les installations de biogaz et que l'on trouve aussi, par exemple, dans les gaz d'échappement des cimenteries et des incinérateurs de déchets. "Le CO2, qui jusqu'à présent s'échappe simplement, pourrait être capté, méthanisé et ainsi utilisé une nouvelle fois à des fins énergétiques", explique Dunkelberg. "Bien sûr, le carbone est ensuite à nouveau libéré lors de la combustion du méthane - il ne s'agit donc pas d'un puits de carbone. Mais nos calculs montrent qu'il est possible de produire du méthane sans impact sur le climat, à condition d'utiliser de l'électricité renouvelable pour la production".

Il faudrait poursuivre les recherches pour savoir jusqu'à quel point Berlin et d'autres villes pourraient couvrir leurs besoins en méthane et en hydrogène de manière autonome et quels investissements seraient nécessaires. Dans tous les cas, les concepts (de transition) énergétique des villes devraient se pencher sur une production urbaine de gaz, demandent les chercheurs.  

Le projet "UMAS : Méthanisation souterraine dans le réservoir aquifère", a étudié si l'ancien réservoir de gaz naturel de Berlin-Charlottenburg pouvait devenir un réservoir d'énergie Power-to-Gas. L'étude du sous-sol a toutefois révélé que le site ne serait pas optimal et donc pas rentable pour une méthanisation souterraine. En principe, les chercheurs ont toutefois estimé que ce procédé, ainsi que d'autres procédés de production de méthane et d'hydrogène, était écologiquement judicieux.

Ont participé au projet, sous la direction de la société Berliner Erdgasspeicher GmbH, l'Institut Reiner Lemoine, l'Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW), l'Université technique de Clausthal ainsi que les sociétés MicroPro et DBI - Gas- und Umwelttechnik. Le ministère fédéral de l'économie et de la protection du climat (BMWK) a soutenu le projet dans le cadre du 7e programme de recherche énergétique.

Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 28 novembre 2022