Syngas : innovation et application industrielles

Syngas : de quoi parle-t-on ?

Définition et composition du syngas

Le syngas, que l’on appelle aussi gaz de synthèse, gaz synthétique ou gaz de gazogène, est un gaz issu de la pyrolyse du méthane ou de la gazéification.

Il s’agit d’un gaz qui contient du monoxyde carbone, de l’hydrogène et, dans une moindre mesure, du méthane et du diazote. Les proportions de ces gaz varient en fonction du mode de production choisi. 

Le gaz de synthèse peut être produit à partir de plusieurs matières qui contiennent du carbone :

• Le méthane;
• La biomasse (gaz de bois);
• Le charbon;
• Les déchets organiques ou ménagers…

La pyrolyse de ces matériaux carbonés intervient à plus de 1000°C et c’est cette mise à très haute température qui permet de désagréger le carbone et d’isoler les molécules de carbone d’hydrogène.

Méthodes de production du syngas

Pour produire le gaz de synthèse, plusieurs techniques de fabrication existent : 

• Le reformage du méthane;
• La gazéification du charbon ou de la biomasse;
• La pyrolyse.

Nous allons décrire ces méthodes, les unes après les autres. D’abord, la technique de reformage du méthane, ou steam methane reforming en anglais, désigne la réaction du méthane avec la vapeur d’eau et à haute température. Le reformage du méthane s’effectue grâce à des catalyseurs. Le syngas fabriqué à partir de cette méthode de production est principalement composé de monoxyde de carbone et d’hydrogène.

La gazéification est une autre méthode de production de gaz de synthèse. C’est d’ailleurs l’une des principales. Pour cela, on prend une matière riche en carbone (le charbon, la biomasse ou des déchets) et on attend sa réaction au contact de la vapeur d’eau, sous une température très élevée. Dans ces conditions, une réaction est provoquée et elle entraîne la création du syngas.

La pyrolyse du méthane est la dernière façon d’obtenir le syngas. Pour ce faire, on isole le méthane de toute trace d’oxygène. Puis, la réaction entraîne la décomposition des atomes du méthane. On obtient alors en grande quantité du carbone, mais également de l’hydrogène.

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Applications industrielles du syngas

Production de chaleur

Le syngas peut être utilisé comme combustible pour produire de la chaleur. Ainsi, le gaz est inséré dans un brûleur et agit exactement de la même façon qu’un combustible fossile classique comme le gaz naturel ou le fioul.

Dans certaines installations, il est même possible d’opter pour un mélange couplant le syngas et le gaz naturel ou le fioul. Le gaz peut être utilisé comme tel, sans traitement d’épuration qui peut parfois représenter un coût important.

La production de chaleur à partir du syngas est un cas unique que l’on retrouve pour des applications industrielles uniquement. Par exemple pour du séchage dans l’industrie du papier ou pour la production de vapeur dans l’industrie alimentaire.
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La production d'énergie et la cogénération

La cogénération est un processus de valorisation du syngas. Il peut être employé en tant que combustible dans les moteurs à combustion interne pour produire de l’électricité et de la chaleur.

C’est une utilisation très courante dans des pays comme l’Allemagne, l’Italie ou l’Autriche.

Pour que le syngas soit prêt à être utilisé, il doit d’abord subir un refroidissement et une épuration pour qu’il soit compatible à l’utilisation dans un moteur.
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Production de biocarburants

Les biocarburants sont une autre voie possible pour les gaz de synthèse. Pour ce faire, ils doivent être convertis en méthanol ou en diesel de synthèse. Ils pourront alors être exploités en tant que combustibles pour faire fonctionner des moteurs à combustion interne.

Les processus de fabrication de ces biocarburants diffèrent en fonction de ce qui est recherché. On pourra créer du biogazole ou du biométhane.

Récemment, la startup Elyse Energy a prévu d'industrialiser le processus de fabrication de carburants à partir de biomasse dans une usine située dans les Pyrénées-Atlantiques (projet “BioTFuel”).
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Production de bihydrogène ou hydrogen syngas

Selon comment il est fabriqué, il est possible que le gaz synthétique intègre une proportion d’hydrogène dans sa composition. Cela permet alors de l’utiliser pour des applications industrielles.

Par exemple, l’hydrogène est un vecteur énergétique pour alimenter les piles à combustibles et ainsi faire fonctionner des véhicules électriques à hydrogène plus vertueux pour l’environnement. 

De même, l’hydrogène peut être injecté dans le réseau gazier de gaz naturel. Certes, l’hydrogène ne peut pas remplacer le gaz naturel, mais il peut enrichir ce dernier s’il ne dépasse pas 6% de sa masse totale. On parle de la technologie “power-to-gas”.

Enfin, une fois isolé, l’hydrogène peut être vendu aux industriels qui utilisent cette matière première pour la fabrication d’ammoniac et de méthanol.
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Autres applications : procédé Fischer-Tropsch, production de fer...

Dans l’industrie, le syngas a d’autres rôles. Lorsque l’on a recours au procédé Fischer-Tropsch pour la production d’hydrocarbures liquides, de cires ou de lubrifiants, le syngas est un bon ingrédient.

Pour finir, le syngas sert à produire du fer ou de l’acier de façon alternative avec le procédé Fischer-Tropsch. Dans ce cas, le syngas joue le rôle d’agent réducteur pour convertir un minerai de fer en fer métallique.

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Quel avantage et défi à l’utilisation du syngas ?

Les avantages environnementaux de la gazeification biomasse

Les gaz de synthèse offrent de nombreux avantages, notamment en termes de réduction des émissions de gaz à effet de serre. 

L’enjeu actuel est à la décarbonation des industries et de toutes les pratiques (transport, agriculture, production d'énergie…). Le syngas, en tant que tel, est un produit polyvalent qui peut servir aussi bien à créer des biocarburants qu’à alimenter en chaleur une usine. 

Ainsi, le syngas permet de se passer ou de transitionner lentement vers un monde où l’on n’extrait plus de ressources fossiles des sous-sols. Et le bilan carbone n’en est que plus positif. C’est le cas pour la production d’hydrogène produite à partir de gaz de synthèse. Ainsi obtenu, l’hydrogène a un meilleur bilan carbone que lorsqu’elle est produite à partir de sources non renouvelables.

Un autre point intéressant que l’on peut mettre en avant en ce qui concerne ce produit est le fait qu’on le crée à partir de ce qu’on considère comme des déchets. Comme avec le procédé de méthanisation. Or, dans ce cadre, ces déchets organiques ou issus de la biomasse apparaissent alors comme des ressources. Au lieu de laisser ces déchets se décomposer et relâcher du méthane, ils sont valorisés. La biomasse est par ailleurs un composant qui se renouvelle vite et que l’on retrouve en quantité illimitée sur la planète. On peut ainsi dire que le syngas est une source d’énergie renouvelable.

In fine, avoir recours à des matières premières pour créer des gaz de synthèse est une solution idéale pour effectuer une transition énergétique vers des sources d’énergies plus vertes.
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Syngas ou gaz naturel ? Les défis techniques et économiques à résoudre

Si le syngas est une solution d’avenir à bien des égards, il n’en reste pas moins que c’est une innovation technologique nouvelle. Le défi principal qui pourrait freiner son déploiement à grande échelle partout dans le monde est la complexité de son processus de production.

En effet, cela nécessite de maîtriser toutes les étapes de production de ce gaz et de bien connaître les conditions de destruction des matières premières utilisées. 

La méthode de production à partir de la gazéification reste à ce jour une technologie que l’on pourrait qualifier d’émergente par rapport à la gazéification à partir du gaz naturel ou du charbon. L’industrialisation de cette technique doit se réaliser en toute sécurité et en connaissance de ses risques et bénéfices.

Un autre défi à relever est le déploiement de solutions techniques pour que le syngas soit utilisé dans ses différentes applications industrielles possibles (production chaleur, biocarburant, etc). À titre d’illustration, pour intégrer de l’hydrogène issu du syngas dans des réseaux de tuyauterie de gaz naturel, il faut respecter des consignes de sécurité précises.

Finalement, le dernier point qui pourrait freiner le déploiement du syngas à grande échelle est le coût de production d'énergie qui est élevé. Le processus de gazéification est coûteux et cela a un impact sur le coût final du syngas. Idéalement, il faudrait qu’il soit compétitif par rapport aux énergies conventionnelles et non durables.
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