Dans ce chapitre, nous avons commencé par montrer l’intérêt que présentent les concepts Power-to-Gas et Gas-to-Power pour la problématique à venir concernant la nécessité de mettre en place un nouveau moyen de stockage des excès de production des ressources re- nouvelables. Les procédés Power-to-SNG peuvent apporter une solution aux trois difficultés rencontrées sur le réseau électrique, à savoir l’intermittence des ressources renouvelables pouvant engendrer des difficultés d’équilibrage, la désynchronisation entre les périodes de production et les périodes de consommation, et enfin la congestion du réseau électrique nécessitant un autre vecteur énergétique pour transporter l’énergie. La revue des démonstra- teurs Power-to-SNG aujourd’hui en cours d’utilisation nous a permis d’identifier les unités élémentaires nécessaires que sont l’électrolyse de l’eau et la production de méthane par la
1.8. Conclusion
réaction de Sabatier. La technologie de l’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température avec des cellules à oxydes solides (SOEC) est celle retenue pour ces travaux. Cette techno- logie étant réversible et cet aspect étant au cœur du sujet de ce travail, nous nous sommes également intéressés aux procédés Gas-to-Power mettant en œuvre des piles à combustible de type SOFC. Le fonctionnement des cellules à oxydes solides en mode électrolyse et pile à combustible a été présenté, des éléments sur les performances de ces cellules et leur dé- gradation ont été reportés, de même que l’influence des conditions opératoires comme la pression par exemple. L’hydrogène produit par électrolyse dans les procédés Power-to-SNG étant utilisé pour l’hydrogénation de CO2 en CH4, des éléments thermodynamiques, ciné-
tiques et industriels relatifs à la méthanation ont ensuite été proposés. L’étape de reformage du méthane permettant de produire H2 à également été décrite puisqu’elle peut faire partie
du procédé Gas-to-Power envisagé dans ce travail. Enfin, des éléments relatifs à l’épuration des gaz ont été présentés dans une dernière section. Du fait de la robustesse des procédés revus, il semble que l’unité de purification ne présente pas de verrou technologique.
Malgré cet état de l’art couvrant de nombreux aspects, certains points ne sont pas, ou que partiellement résolus. Une des limitations identifiée concerne le point de fonctionnement des cellules électrochimiques dans des conditions représentatives de la conduite industrielle d’un électrolyseur. Une seconde limitation mise en évidence ici concerne la durée de vie des cellules et l’effet de l’alternance du mode de fonctionnement sur la vitesse de dégradation de ces performances. Ces données sont requises pour évaluer la performance selon le point de fonctionnement choisi et la dégradation de ces performances est indispensable pour réaliser l’analyse économique des procédés proposés. Ce travail de qualification des performances électrochimiques et de leur dégradation sera réalisé dans le chapitre 2 à travers des travaux expérimentaux.
Dans l’objectif de proposer un procédé Power-to-SNG couplé avec le réseau de gaz naturel, il est absolument nécessaire de prendre en compte les spécifications d’injection sur le réseau, les différentes technologies pour ces fonctions ayant été identifiées. La description fine et l’association des différents grands éléments que sont l’électrolyseur, la méthanation et la purification restent à mettre en place pour évaluer énergétiquement un procédé Power-to- SNG. Ces différents aspects seront traités dans le chapitre 3.
Ensuite, la revue des procédés de production d’électricité incluant des piles à combustible a permis de mettre en évidence que les procédés hybrides incluant des turbines démontrent une forte efficacité pour la production d’électricité, les procédés revus faisant intervenir des espèces carbonées dans la zone de réaction électrochimique. Nous nous intéresserons donc dans le chapitre 4 à l’intégration de l’électrolyseur du procédé Power-to-SNG dans un procédé Gas-to-Power dédié à la production d’électricité tout en captant le CO2. Une contrainte de
ce procédé, liée à la réversibilité, est le fonctionnement de la pile à combustible avec un mélange de combustibles contenant uniquement des espèces non carbonées.
Enfin, le dernier chapitre considèrera les différents procédés mis en place dans les cha- pitres 3 et 4 afin de proposer un coût pour le SNG produit par le procédé Power-to-SNG et un coût pour l’électricité restituée par le procédé réversible Power-to-SNG - Gas-to-Power. Pour cela, les tendances issues des données expérimentalement observées pour ce qui concerne les performances et leur vitesse de dégradation seront utilisées, ce qui permettra d’évaluer ces deux coûts avec des données décrivant le comportement des empilements électrochimiques basées sur l’expérience.
2.
Expérimentations sur le
fonctionnement réversible d’une
cellule à oxydes solides
2.1
Objectifs des travaux expérimentaux
Un réacteur électrochimique basé sur la technologie des cellules à oxydes solides est un réacteur surfacique coûteux, pouvant fonctionner comme électrolyseur et comme pile à combustible, sous des conditions opératoires adéquates. Le coût de la surface active étant important, il apparaît souhaitable que la surface installée soit pleinement utilisée et que la vitesse de dégradation de la performance soit la plus faible possible. Ces deux aspects, que ce soit en mode électrolyseur ou en mode pile à combustible, peuvent être affectés par l’alternance de fonctionnement entre les deux modes.
L’évaluation de l’intérêt énergétique et économique d’un procédé Power-to-SNG et d’un procédé réversible Power-to-SNG - Gas-to-Power intégrant des cellules à oxydes solides re- quiert la connaissance du couple performance initiale et vitesse de dégradation de celle-ci. La littérature existante sur ces deux aspects ne fournit pas de données précises, cohérentes et adaptables aux conditions envisagées pour notre procédé. Sur la performance en électrolyse, les données à la tension thermoneutre et / ou pour des taux de conversion élevés sont inexis- tantes. Concernant les études de vitesse de dégradation de cette performance, les niveaux de tension opératoire sont en général proches du volt (fonctionnement allothermique de l’élec- trolyseur) et les taux de conversion inférieurs à 40 %. L’effet de l’alternance des modes est, comme nous l’avons vu, très peu abordé. Les données relatives aux performances initiales des cellules permettront d’établir le modèle de cinétique électrochimique pour le mode électrolyse et pour le mode pile à combustible, ces modèles étant utilisés respectivement pour évaluer les performances énergétiques du procédé Power-to-SNG dans le chapitre 3 et celles du procédé Gas-to-Power dans le chapitre 4. Les données relatives à la dégradation des performances selon le temps de fonctionnement et l’effet de l’alternance entre les deux modes seront quant- à-elles utilisées pour l’évaluation économique des procédés, proposée dans le chapitre 5, le couple performance - dégradation intervenant dans le calcul du coût d’investissement et du coût d’exploitation relatifs à l’unité d’électrolyse de la vapeur d’eau.
Dans ce chapitre, les moyens expérimentaux, les techniques de mesures et les protocoles expérimentaux mis en œuvre sont détaillés. Puis les résultats en termes de performances initiales seront présentés, suivis des résultats obtenus lors des essais de longue durée. Finale- ment, la dernière partie sera consacrée à l’établissement du modèle cinétique électrochimique à partir des données collectées au long des différents essais et à l’analyse des résultats ob- tenus lors des essais de longue durée afin de proposer des lois de vitesse de dégradation de la performance cohérentes avec la valeur de performance associée. Ces essais seront menés
en mode électrolyse ou en alternance entre les modes de fonctionnement électrolyse et pile à combustible.