Du biogaz propre et universellement mesurable

Le marché du biogaz croît rapidement en Suisse, avec 471 gigawattheures injectés dans le réseau l’an dernier, soit le double d’il y a dix ans. Pour répondre aux exigences de qualité strictes, des scientifiques du PSI ont développé une méthode permettant de détecter simultanément les composés soufrés et les siloxanes, deux impuretés majeures du biogaz, comme présenté dans Progress in Energy.

En Suisse, plus de 160 installations de biogaz produisent le précieux mélange gazeux à partir de lisier et de purin. À cela s’ajoutent les centaines de stations d’épuration des eaux, où les boues d’épuration fermentent dans des tours de fermentation et produisent un gaz d’épuration – un sous-type de biogaz – dont la composition est analogue.

Le gaz vert est composé de 50 à 75% de méthane et d’au moins un quart de dioxyde de carbone. Le biométhane est obtenu par séparation du dioxyde de carbone et peut être injecté dans le réseau de gaz. Or le biogaz – et avec lui le biométhane – peut contenir de nombreuses impuretés dans des proportions de l’ordre du millionième. « En dépit de leur infime concentration, ces impuretés causent d’énormes problèmes », relève Ayush Agarwal, premier auteur de l’étude, qui a consacré sa thèse de doctorat au PSI à l’analyse du biogaz.

Ces substances perturbatrices redoutées sont par exemple des composés soufrés organiques : ces derniers apparaissent lorsque des bactéries décomposent des protéines qui contiennent des atomes de soufre. Les siloxanes, présents dans les gels douche pour leur effet agréable sur la peau, sont évacués par les canalisations vers la station d’épuration et se retrouvent finalement dans le biogaz.

Si le biométhane est brûlé pour produire de l’énergie, par exemple dans des chaudières à gaz, les siloxanes réagissent de manière particulièrement indésirable : ils forment de l’oxyde de silicium, un composant du sable et l’un des composés les plus stables qui existent sur Terre. « L’oxyde de silicium bouche les systèmes de combustion, détaille Ayush Agarwal. De ce fait, les installations ont besoin de davantage d’énergie pour chauffer la même quantité d’eau, par exemple », de la même façon qu’une bouilloire qui s’est densément encrassée de calcaire.

Les siloxanes et composés soufrés organiques empêchent l’utilisation du biométhane dans les piles à combustible, car ils les endommagent. Ces impuretés posent aussi problème lors de la transformation du biogaz en biométhane. Même en faible quantité, elles sont considérées comme nocives selon Ayush Agarwal.

En Suisse, comme dans le reste de l’Europe, les valeurs limites pour les composés soufrés et les siloxanes dans le biogaz sont strictes et représentent la condition préalable pour pouvoir injecter du biométhane dans le réseau de gaz public, mais aussi pour l’exploitation d’installations de biogaz comme fournisseur de combustible.

Les grandes installations de biogaz possèdent des systèmes de purification qui nettoient les gaz de leurs substances indésirables. Leurs exploitants se servent d’appareillages analytiques pour mesurer la composition de leur biogaz. De la sorte, ils peuvent vérifier le bon fonctionnement de leurs systèmes de purification. Une bonne analyse est donc une condition préalable au fonctionnement de l’ensemble du système biogaz : « On ne peut améliorer que ce que l’on arrive à bien mesurer », considère Ayush Agarwal.

Dans le cadre de sa thèse de doctorat au Centre des sciences de l’énergie et de l’environnement du PSI, ce scientifique a mis au point une méthode d’analyse robuste qui détecte simultanément les siloxanes et les composés organiques soufrés : jusqu’à des traces de 15 milliardièmes, soit à un ratio exact de 15 molécules d’impureté pour un milliard de molécules. Une quantité vraiment infime.

Les chercheurs du PSI ont également mis au point une solution pratique pour les petites installations de biogaz qui n’ont pas d’appareils d’analyse sur place. Leurs exploitants peuvent prélever des échantillons de biogaz avec un appareil mobile qui dissout ces gaz dans un liquide où même les faibles quantités d’impuretés se conservent de manière avérée pour 28 jours au moins. Cela leur laisse largement le temps de porter les échantillons jusqu’à un laboratoire d’analyse pour qu’ils y soient mesurés.

L’applicabilité universelle de cette méthode d’analyse la rend utilisable dans tout le pays, ce qui permet de faire progresser l’utilisation du biogaz. « C’est un bon exemple de la manière dont nous pouvons, au PSI, faire avancer la recherche appliquée pour qu’elle fournisse des solutions concrètes aux défis actuels », relève Christian Ludwig, également chercheur au Centre des sciences de l’énergie et de l’environnement et co-auteur de l’étude.

Un appareil de chromatographie en phase gazeuse sépare d’abord les composants du biogaz. Ensuite, ces derniers sont détectés 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 enregistre les isotopes des différents éléments et les quantifie.

L’astuce employée est la suivante : l’appareil ne détecte que certains éléments sélectionnés au préalable et ignore tous les autres. De cette manière, il est possible de détecter des quantités même infimes de soufre et de silicium parmi une foule d’autres composés également présents dans le biogaz. « À notre connaissance, il s’agit de la première méthode du genre qui permet de déterminer en même temps des composés soufrés et des composés de silicone », conclut Ayush Agarwal.