Vabhyogaz produit de l’hydrogène à partir de nos déchets

L’hydrogène est une ressource convoitée, tant pour ses applications dans l’industrie chimique que pour son rôle joué dans les piles à combustible des voitures électriques. Vabhyogaz, un projet initié par Didier Grouset, chercheur à Mines Albi, propose ainsi de transformer le biogaz issu de nos déchets en hydrogène. Débuté il y a près de dix ans, Vabhyogaz entame en 2016 sa troisième et dernière phase de développement.

Plus de deux mois après la 21^e conférence des parties de la convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques (COP 21), des solutions concrètes limitant les émissions de CO₂ émergent-elles vraiment ? Dans le Sud-Ouest de la France en tout cas, du côté d’Albi, le projet Vabhyogaz entre sereinement dans sa troisième phase de développement. Initié en 2007, celui-ci a pour objectif la conversion du biogaz issu des déchets en dihydrogène. Une ressource notamment convoitée pour l’alimentation des piles à combustible, permettant de propulser des véhicules en ne rejetant que de la vapeur d’eau.

Au départ, Vabhyogaz est né d’une coopération entre N-GHY, une PME créée par Didier Grouset en essaimage de Mines Albi et spécialisée dans la filière hydrogène, et le syndicat départemental TRIFYL pour la valorisation des déchets ménagers du Tarn. La première phase du projet a rassemblé des partenaires régionaux autour de TRIFYL et N-GHY, notamment Mines-Albi et Phyrénées, une association initiée en 2007 par ces trois acteurs pour fédérer une communauté autour de l’hydrogène en Languedoc-Roussillon-Midi-Pyrénées. « S’intéresser à l’ensemble de la chaîne de valeur hydrogène et rassembler les acteurs pour cela constitue l’originalité du concept Vabhyogaz » nous indique Didier Grouset, chercheur à Mines Albi. Aujourd’hui, le projet rassemble de multiples partenaires : PME, collectivités et filiales de groupes multinationaux*.

Le projet Vabhyogaz a été identifié comme « Solution climat » lors de la COP21 et présenté au Grand Palais à Paris.

La chaîne de transformation des déchets en dihydrogène part d’un processus naturel : la méthanisation. Dans un environnement dépourvu de dioxygène, les micro-organismes dégradent en effet nos déchets et rejettent un gaz, mélange de dioxyde de carbone (CO₂) et de méthane (CH₄). C’est ce mélange qui est appelé « biogaz ». Pour accélérer ce processus qui peut durer une trentaine d’années lors d’un simple enfouissement des déchets, un bioréacteur est utilisé chez Trifyl, réduisant à une quinzaine d’années le temps de production de biogaz. La fermentation anaérobie hors sol, en méthaniseur, de nos déchets domestiques, agricoles ou agroalimentaires mènera aussi au biogaz en quelques jours.

« Le biogaz est ensuite épuré de ses composés minoritaires polluants tels que l’hydrogène sulfuré et, normalement, il faut éliminer le CO₂, mais la particularité du processus de Vabhyogaz est de se dispenser de cette étape couteuse » nous explique Didier Grouset. Le chimiste ajoute : « À la place, nous portons directement le mélange méthane-dioxyde de carbone sous une pression de 15 bar à 900 °C en introduisant de la vapeur d’eau, le tout sur un catalyseur à base de Nickel ». Le méthane et l’eau réagissent ainsi pour former du monoxyde de carbone (CO) et le dihydrogène (H₂) convoité. Cette réaction est complétée par la réaction à 200 °C du CO avec la vapeur d’eau restante, pour former à nouveau du dihydrogène et du CO₂. L’hydrogène produit provient donc à la fois du déchet et de l’eau qui a réagi.

De l’hydrogène extra-pur

Une fois le processus de synthèse du dihydrogène achevé, celui-ci est purifié pour atteindre une pureté de 99,995 %. « C’est un impératif pour respecter la norme d’alimentation des piles à combustible à hydrogène et garantir leur longue durée de vie » prend soin de mentionner Didier Grouset. La maîtrise de ce procédé vient mettre un terme à la deuxième phase du projet Vabhyogaz, qui s’est achevée courant 2014. « Aujourd’hui, les partenaires disposent d’un prototype capable de produire 10 kg de dihydrogène pur par jour » précise le chercheur. De quoi alimenter chaque jour une poignée de véhicules Kangoo électriques à hydrogène qui feraient plus de 200 km quotidiennement. Didier Grouset reconnaît que cela « reste faible par rapport aux besoins futurs », et qu’une unité de production « devient intéressante, c’est à dire économiquement rentable, à partir de 100 kg de dihydrogène par jour ».

D’où la montée en échelle prévue lors de la troisième phase de Vabhyogaz, qui démarre en ce début d’année 2016 dans le cadre des Investissements d’Avenir. L’objectif de cette étape est la commercialisation de modules aux capacités de production comprises entre 100 et 800 kg de dihydrogène par jour. Ceux-ci constitueraient alors des unités de production distribuées, capables d’alimenter chacune plusieurs acteurs sur une échelle locale. Les réflexions sur l’acheminement de la ressource hydrogène sont également intégrées au sein du projet. Des containers de bouteilles en matériaux composites, plus légères et plus adaptées au conditionnement du dihydrogène sont ainsi mises au point dans le cadre du projet.

Schéma du principe de fonctionnement de Vabhyogaz (cliquer pour agrandir).

Quel avenir pour la filière énergie hydrogène ?

Identifié comme une « solution climat » lors de la COP 21 et présenté au Grand Palais à Paris à cette occasion, le projet Vabhyogaz est prometteur. Mais sa viabilité tient tout autant de la qualité du projet que du changement nécessaire des usages vis-à-vis de l’hydrogène comme énergie. Sur ce point, Didier Grouset semble optimiste, avançant dans un premier temps une originalité nationale aboutissant à des véhicules à hydrogène moins chers : « Une des particularités de la France est d’utiliser la pile à combustible à hydrogène comme prolongateur d’autonomie des batteries, et non comme source d’alimentation principale du moteur électrique ». Chez les constructeurs français, la pile à combustible utilisée comme recharge ne doit donc fournir que la puissance moyenne nécessaire au véhicule électrique dont le moteur reste alimenté majoritairement par la batterie. Une différence avec les concurrents étrangers qui ont misé sur une pile à combustible devant être capable de fournir la puissance maximale du moteur. Le chercheur contextualise ainsi : « Dans le premier cas, la pile à combustible doit avoir une puissance de 5kW, contre 100 kW dans le second ».

Mais l’hydrogène-énergie doit également lutter contre un adversaire de taille : le pétrole. « Avec la solution Vabhyogaz, le prix devient compétitif » assure Didier Grouset. En termes de chiffres, cela se traduirait par un objectif du kilogramme de dihydrogène à 8 € toutes taxes comprises (TTC), sachant qu’il faut environ 1 kg d’hydrogène pour parcourir 100 km. Mais cet objectif est établi en comparaison avec un litre de gazole à 1,20 € TTC. Or le contexte actuel de chute des cours de brut semble rendre le combat inégal. Pour autant, Vabhyogaz n’est pas voué à l’échec. « La motivation des utilisateurs reste une clé du succès » déclare Didier Grouset, confiant. Sur ce point, le projet peut compter sur son ancienneté, comme le rappelle le chercheur : « Autour d’Albi, notamment grâce à l’association Phyrénées, la filière hydrogène est dans les conversations depuis 2007 ». Vabhyogaz cherchera donc dans sa troisième phase à toucher des flottes d’entreprises.

L’hydrogène, une ressource pour l’industrie

Le secteur automobile n’est pas le seul visé par le projet. Si les piles à combustible sont l’application la plus remarquable du dihydrogène, il en existe cependant une autre, tout aussi importante : l’industrie chimique. La fabrication de semi-conducteurs, éléments clés des équipements de micro-électronique, requiert ainsi de grandes quantités d’hydrogène. Tout comme la réalisation de verres de qualité ou le traitement thermique des métaux. Or « il existe très peu de points de production d’hydrogène marchand, ce qui induit des distances de transport importantes  » indique Didier Grouset. Pourtant, de nombreux besoins industriels se situent entre 100 kg et 500 kg de dihydrogène par jour. Les unités de production mises au point par Vabhyogaz pourraient ainsi fournir directement les acteurs concernés.

Afin d’atteindre ce stade, la phase 3 de Vabhyogaz comportera aussi des études de cycle de vie et d’optimisation énergétique de l’ensemble des étapes du procédé. Il s’agira notamment de confirmer la diminution de la consommation des unités de distribution d’hydrogène, tout comme celle de son transport, pour réduire l’impact environnemental de la chaîne de production de dihydrogène à partir de biogaz. En effet, Vabhyogaz est un projet qui se veut écologique dans la finalité de l’utilisation de l’hydrogène, et également sur l’ensemble de la chaîne de valeur de l’hydrogène.

À lire également sur le blog : Avec PREVER, tous les résidus sont valorisables en énergie

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 Vabhyogaz, une belle histoire de collaboration

Le projet Vabhyogaz 2 a été coordonné par ALBHYON, filiale de HERA France (groupe HERA, d’origine espagnole). ALBHYON a ainsi poursuivi les travaux de N-GHY en partenariat avec TRIFYL. Ce projet a été financé partiellement par l’ADEME dans le cadre du programme TITEC.

Suite à la preuve de concept de la phase 2, HERA a décidé de développer une gamme de produits pour la production et la distribution d’hydrogène d’origine renouvelable. C’est l’objet du projet Vabhyogaz 3 dont les partenaires sont :

• HERA-France avec sa filiale ALBHYON, coordinateur du projet,
• HP SYSTEMS, PME de La Rochelle
• WH2, PME lyonnaise
• TRIFYL, syndicat mixte pour la valorisation des déchets ménagers et assimilés du Tarn
• EMTA, filiale de SARP Industrie, (groupe VEOLIA)
• Mines Albi

Il s’agit d’un projet d’une durée de 4 ans qui a été présenté en décembre 2015 à l’appel à projets Stockage et Conversion de l’Energie du Programme des Investissements d’Avenir. Le budget total est de 9,76 M€ et une aide de 4,47 M€ est demandée (remboursable en grande partie). Le dossier est en cours d’instruction par l’ADEME.

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