Le gaz naturel peut-il faire partie d'une dépression

Au milieu des années 2010, il est devenu courant de dire que le gaz naturel serait un carburant de transition vers un avenir sans carbone, dans lequel le solaire, l'éolien et d'autres technologies renouvelables fourniraient toute notre énergie sans aucune émission de dioxyde de carbone pour aggraver le changement climatique. Mais si le gaz naturel est vraiment un pont, il ne fait pas partie du plan à long terme. Et si nous construisons réellement le pont, nous resterons probablement dessus.

La consommation de gaz naturel aux États-Unis a augmenté d'un tiers au cours des 15 dernières années. Le gaz représente 32 % de la consommation totale d'énergie et est désormais la principale source d'électricité du pays, remplaçant largement les centrales électriques au charbon. Le gaz naturel, principalement du méthane, brûle beaucoup plus proprement que le charbon, et il fournit une solution de secours immédiate aux parcs éoliens et solaires variables. Cela semble prometteur, sauf que la combustion du gaz naturel crée toujours du CO2. Le méthane dans les puits et les pipelines peut s'échapper dans l'atmosphère, amplifiant le réchauffement climatique. Et une fois la dernière centrale au charbon fermée, les centrales au gaz naturel deviennent les sources d'électricité les plus polluantes.

Pour réduire les émissions de CO2, la société doit décarboner au plus vite ses systèmes énergétiques. Construire plus de parcs éoliens et solaires est relativement peu coûteux et rapide, et cela accélère la fermeture des centrales au charbon. Mais exploiter les meilleurs emplacements - les plaines balayées par les vents et les déserts ensoleillés - nécessite un réseau de transmission considérablement étendu pour acheminer les électrons vers les grandes villes et les complexes de fabrication. Ces fils et poteaux introduisent des risques de tempêtes de vent, d'inondations et d'incendies - tous en augmentation à cause du changement climatique - et canton après canton, ils combattent régulièrement les plans d'expansion : "Pas dans ma cour".

L'infrastructure de gaz naturel, presque entièrement souterraine, est beaucoup moins sujette aux interruptions. Les États-Unis ont environ trois millions de kilomètres de gazoducs qui passent sous presque toutes les grandes villes des 48 États contigus. Après avoir ajouté tous les compresseurs, réservoirs et cavernes de stockage, l'infrastructure vaut plusieurs billions de dollars. Les centrales elles-mêmes ajoutent des centaines de milliards de dollars supplémentaires. Les quelque 70 millions de foyers desservis par le gaz naturel possèdent des appareils de chauffage, des chauffe-eau et des tables de cuisson d'une valeur d'au moins 100 milliards de dollars supplémentaires. Multipliez tous ces investissements irrécupérables par environ cinq pour le monde entier. Le gaz est également plus étroitement lié que toute autre source d'énergie aux autres secteurs de la société - transports, bâtiments (pour le chauffage et la cuisine) et industrie (pour le chauffage et comme matière première pour les produits chimiques), ce qui le rend plus difficile à remplacer.

Échanger cette infrastructure avant la fin de sa durée de vie naturelle entraînerait également des pertes financières pour les propriétaires actuels, qui repousseront. La technologie de remplacement pourrait coûter cher aux contribuables, aux contribuables et aux propriétaires, qui repousseront également. Et plus d'électricité ne résout pas facilement le besoin de combustibles liquides brûlés dans les camions, les navires et les avions ou de chaleur intense dans les fonderies industrielles, les distilleries et les raffineries qui fabriquent des volumes de métaux, de ciment, de verre, de carburéacteur et de produits chimiques. La densité énergétique des combustibles liquides est difficile à égaler.

Si nous pouvons nettoyer les émissions du système de gaz naturel, cela pourrait faire partie d'un avenir neutre en carbone au lieu d'un pont. La technologie existe pour extraire le carbone ou pour transformer le gaz afin que le carbone sortant et le carbone s'équilibrent à zéro ou presque à zéro.

La première étape d'un plan global de décarbonisation de l'infrastructure énergétique du pays consisterait à améliorer l'efficacité énergétique et la conservation pour réduire la consommation. La seconde consisterait à électrifier autant de voitures, de radiateurs, de chauffe-eau et de tables de cuisson que possible, en utilisant des sources renouvelables. Dans le même temps, resserrez l'infrastructure de gaz qui fuit. Et remplacez autant de gaz naturel que possible par des alternatives à faible émission de carbone telles que le biogaz, l'hydrogène et le méthane de synthèse ou utilisez un processus appelé pyrolyse à l'extrémité des conduites de gaz naturel pour évacuer le carbone.

Les partisans de l'énergie propre craignent à juste titre que tout investissement dans les infrastructures gazières crée un effet de verrouillage. Chaque nouvelle centrale électrique, pipeline ou unité de stockage de gaz a une durée de vie prévue de 25 à 80 ans, de sorte que chaque élément pourrait soit devenir un piège pour plus d'émissions, soit un actif échoué. Mais nous pouvons résoudre le problème du verrouillage avec des alternatives directes au gaz naturel : des gaz à faible teneur en carbone qui peuvent circuler dans les conduites, les réservoirs et les centrales électriques existants, en tirant parti de ces billions de dollars d'actifs.

Le substitut le plus prêt à remplacer le gaz naturel est le biométhane, c'est-à-dire le gaz méthane produit à partir de sources biologiques. Les microbes à l'intérieur de grands tambours appelés digesteurs anaérobies mâchent les matières organiques telles que les déchets agricoles, le fumier, les eaux usées, les déchets alimentaires et autres déchets dans les décharges, produisant du méthane. Les biodigesteurs, déjà une technologie mature, transforment les flux de déchets dans les décharges et les lagunes de déchets adjacentes aux opérations d'alimentation concentrée des animaux des responsabilités environnementales en produits de valeur, générant des revenus pour les municipalités et les agriculteurs.

Le biométhane fonctionne à Austin, au Texas. Waste Management, qui exploite l'une des décharges de la ville, collecte le biométhane à partir de 128 puits sur son site et le brûle pour générer suffisamment d'électricité pour 4 000 à 6 000 foyers. Et l'une des usines de traitement des eaux usées de la ville possède huit biodigesteurs, chacun d'une capacité de deux millions de gallons ; les microbes convertissent les eaux usées en biogaz qui alimente les générateurs d'électricité sur place. Le processus crée un sous-produit solide appelé Dillo Dirt, qui ressemble et sent comme un compost grumeleux. Un entrepreneur de la ville le vend au sac dans les magasins de la région pour enrichir le sol.

Environ un quart des plus de 2 000 décharges américaines récupèrent désormais leur gaz ou transforment leurs déchets en biogaz à l'aide de biodigesteurs. Cependant, cela ne compense que moins de 1 % de la consommation totale de gaz naturel du pays. Le biogaz peut servir de substitut direct au gaz naturel, mais le volume relatif, globalement, est faible. Si une ferme, une décharge ou une station d'épuration ne peut pas facilement utiliser le gaz pour produire de l'électricité ou n'est pas à côté d'un réseau de gaz, le biométhane peut devoir être liquéfié et transporté par camion vers un autre endroit, ce qui réduit le gain en carbone. Pourtant, le biométhane est une technologie commercialement prête qui peut commencer à décarboner une partie du système gazier.

Le gaz naturel peut être complètement remplacé par de l'hydrogène. Les turbines peuvent brûler de l'hydrogène pour générer de l'électricité pour le réseau, et les moteurs à combustion interne peuvent le brûler dans les véhicules lourds. L'hydrogène dans les piles à combustible peut produire de l'électricité pour les voitures, les maisons ou les bureaux. Et l'hydrogène est un élément de base pour de nombreux produits chimiques de base. Le brûler ou le faire réagir dans des piles à combustible ne produit pas de CO2. L'hydrogène qui fuit a un effet de réchauffement qui n'est qu'une fraction de celui du méthane.

L'hydrogène naturel s'écoule du sol à partir de bassins dans de nombreux cratons de la terre - de gros blocs de roche ancienne qui forment les parties centrales des continents. Les scientifiques ont trébuché sur ces suintements pendant plus d'un siècle. Les compagnies pétrolières et gazières, cependant, ont considéré l'hydrogène comme une nuisance lorsqu'elles le trouvent à côté de réservoirs souterrains, car il peut prendre feu et dégrader les conduites métalliques. Mais aujourd'hui, des chercheurs d'entreprises et d'universités forent des puits d'essai d'hydrogène et lancent des programmes pluriannuels de recherche d'hydrogène sous terre. L'anticipation ressemble à ce qui s'est passé au tout début de la fracturation du schiste : une énorme ressource existe, si les ingénieurs peuvent trouver comment l'exploiter à moindre coût et en toute sécurité.

Nous pouvons aussi fabriquer de l'hydrogène. À l'heure actuelle, la majeure partie de l'hydrogène destiné à l'industrie est produite à partir du reformage à la vapeur du méthane, en ajoutant de la chaleur et de l'eau chaude au méthane pour créer de l'hydrogène et du CO2. L'électrolyse, qui utilise l'électricité pour séparer l'eau en hydrogène et en oxygène, peut également créer de l'hydrogène gazeux. Cependant, les deux processus nécessitent des quantités importantes d'énergie.

Le déplacement et le stockage de l'hydrogène gazeux constituent également un défi. En raison de la faible densité de l'hydrogène, il faut beaucoup d'énergie pour le déplacer dans un tuyau par rapport à des gaz plus denses comme le méthane ou des liquides comme le pétrole. Après plusieurs centaines de kilomètres, l'inefficacité rend le déplacement de l'hydrogène plus cher que la valeur de l'énergie qu'il transporte. Et l'hydrogène peut fragiliser les pipelines en acier à moins que cela ne soit atténué en modifiant les conditions de fonctionnement ou en incorporant des alliages coûteux.

Une façon d'intégrer l'hydrogène consiste à le mélanger avec du méthane dans un gazoduc existant. Ce mélange décarbonise une partie du système en remplaçant une partie du gaz naturel par de l'hydrogène. Des expériences au Royaume-Uni et en France montrent qu'un mélange de 80 % de méthane et de 20 % d'hydrogène peut être transporté efficacement dans un gazoduc. Dans le cadre d'une étude de mi-2018 à mars 2020, Dunkerque, en France, a utilisé un mélange 80-20 pour alimenter 100 maisons et une chaudière d'hôpital sans aucun nouvel équipement le long du pipeline ou dans les bâtiments.

Les raccords à l'intérieur des fours et des poêles, tels que les pointes de brûleur, peuvent devoir être modifiés ou remplacés pour les mélanges contenant plus de 20 % d'hydrogène car, comme l'hydrogène pur, le gaz mélangé brûle à des températures et à des vitesses différentes. Une autre considération est qu'en raison de la faible densité énergétique de l'hydrogène, un mélange à 20 % en volume fournit 14 % moins d'énergie par pied cube que le gaz naturel.

Une façon de contourner certains problèmes de coût et de sécurité consiste à canaliser l'hydrogène dans le cadre d'une autre forme chimique que nous savons gérer, comme l'ammoniac, qui contient un atome d'azote et trois atomes d'hydrogène. Les molécules contenant des atomes d'hydrogène sont appelées porteurs d'hydrogène. L'hydrogène est converti, là où il est trouvé ou produit, dans le vecteur, qui est déposé dans les pipelines existants, et est soit utilisé sous cette forme, soit reconverti en hydrogène à destination.

Les transporteurs courants tels que l'ammoniac, l'acide formique et le méthanol sont liquides dans des conditions proches de la température ambiante, ce qui les rend plus faciles à transporter que l'hydrogène gazeux. Bien que l'ammoniac soit caustique, il est déjà transporté dans le monde entier comme engrais et peut être brûlé sans produire de CO2. Le méthane pourrait être l'option la plus efficace car il transporte quatre atomes d'hydrogène pour chaque atome de carbone et est déjà compatible avec les tuyaux, compresseurs, réservoirs, turbines et appareils existants.

Les projets de démonstration se multiplient rapidement. Le constructeur industriel finlandais Wärtsilä construit un nouveau navire pour 2023 nommé Viking Energy qui fonctionnera à l'ammoniac avec des piles à combustible, évitant les émissions de gaz à effet de serre et d'autres polluants qui affligent le secteur maritime. Air France et l'aéroport Charles De Gaulle à Paris sont très intéressés par l'hydrogène comme moyen de décarboner l'aviation. Cependant, les transporteurs d'hydrogène en sont encore aux premiers stades de la recherche, il est donc difficile de dire dans quelle mesure ils pourraient réussir.

Les centrales électriques qui brûlent de l'hydrogène sont également sur des planches à dessin. À Delta, dans l'Utah, la centrale électrique d'Intermountain, l'une des plus grandes centrales au charbon des États-Unis, envoie de l'électricité à des centaines de kilomètres jusqu'à Los Angeles. Pour répondre aux besoins à long terme de la ville en matière d'énergie renouvelable et à faible émission de carbone, en 2025, les propriétaires de centrales remplaceront les chaudières à charbon par des turbines capables de brûler de l'hydrogène. Ils commenceront avec un mélange de 30 % d'hydrogène dans du gaz naturel et passeront ensuite à 100 % d'hydrogène. L'hydrogène sera généré sur place à l'aide d'une électrolyse alimentée par le vent et le soleil et sera stocké dans plus de 100 cavernes de sel souterraines existantes, chacune de la taille de l'Empire State Building.

Au lieu de décarboniser le gaz naturel avant qu'il n'entre dans le pipeline, nous pourrions retirer le carbone au bout du tuyau, là où les clients consomment le gaz. Le méthane, par exemple, peut être divisé à l'emplacement de l'utilisateur en hydrogène et en carbone solide, qui ressemble à une fine poussière noire. Le processus, appelé pyrolyse du méthane, est efficace et élimine les émissions de CO2. Chaque kilogramme d'hydrogène produit à partir de méthane pyrolysé génère trois kilogrammes de carbone solide au lieu de neuf kilogrammes de gaz CO2 qui seraient émis si le méthane était brûlé.

Le tas de poussière de carbone qui s'accumule à l'intérieur d'un collecteur dans une fournaise ou un poêle serait emporté chaque mois environ. Nous payons déjà les transporteurs d'ordures et les usines municipales de traitement des eaux usées pour nettoyer nos déchets solides et liquides ; nous devrions aussi payer pour nettoyer les déchets de notre consommation de gaz. Les piles de carbone ont en fait une valeur, car elles peuvent être vendues comme ingrédient de base pour la fabrication de graphite, de caoutchouc, de revêtements, de batteries et de produits chimiques, ainsi que comme amendement du sol pour l'agriculture.

Bien que les ingénieurs aient étudié la pyrolyse du méthane pendant des décennies, ils ne l'ont déployée que dans de petits projets de démonstration. Certains équipements à l'extrémité du tuyau doivent être changés pour séparer le carbone, mais aucun pipeline d'hydrogène coûteux ne devrait être construit, ce qui simplifie grandement les choses. La pyrolyse du gaz naturel conventionnel peut amener l'ensemble du système à presque zéro carbone. L'ajout de méthane provenant de biodigesteurs ou fabriqué à partir de CO2 dans l'atmosphère à l'aide d'électricité renouvelable pourrait rendre le système négatif en carbone.

Imaginer l'un de ces futurs décarbonés pourrait évoquer des visions de grands nouveaux complexes industriels ou des millions de petits changements d'équipement pour les consommateurs. Mais il en va de même pour d'autres propositions visant à réduire les émissions. L'électrification de chaque appareil de chauffage, cuisinière et véhicule nécessiterait un remplacement technologique généralisé. Les plans visant à extraire directement le CO2 de l'air nécessiteraient des millions de grosses machines pour capturer le gaz et le séquestrer - des entreprises tentaculaires qui exigeraient également beaucoup de nouveaux terrains et de nouvelles électricité.

Le gaz décarboné nous permettrait de tirer parti des billions de dollars de pipelines, d'équipements et d'appareils existants, ce qui permettrait d'économiser d'énormes sommes d'argent et des années de temps dans la création d'un système énergétique sans carbone. Nous devrons, bien sûr, réparer l'infrastructure qui fuit. Les fuites peuvent être minimisées en remplaçant les équipements pneumatiques par des dispositifs électriques sur les sites de puits, en améliorant l'automatisation des inspections des conduites et des réservoirs avec des capteurs sur des drones et des robots, et en rédigeant des réglementations qui ne ferment plus les yeux sur les fuites, ainsi qu'en ventilant ou en brûlant délibérément des gaz indésirables. Ces travaux créeraient des emplois pour les travailleurs des industries pétrolières et gazières et nettoieraient l'infrastructure énergétique, ce qui pourrait à son tour réduire la pollution dans les communautés à proximité des installations énergétiques.

La maîtrise du changement climatique nécessite de nombreuses solutions. Déclarer qui ne peut pas en faire partie, comme les compagnies de gaz naturel, ne fait que renforcer la résistance au progrès. Parce que le gaz décarboné peut compléter l'électricité renouvelable et parce qu'il pourrait être une voie plus rapide, moins chère et plus efficace pour les parties de la société qui sont difficiles à électrifier, nous ne devrions pas écarter le gaz en tant qu'option. Nous avons une infrastructure gazière massive, et nous devons trouver quoi en faire. Le mettre au rebut serait lent, coûteux et incroyablement difficile, mais nous pourrions plutôt le mettre au travail pour aider à créer un avenir à faible émission de carbone.

Cet article a été initialement publié sous le titre "What to Do about Natural Gas" dans Scientific American 324, 4, 30-37 (avril 2021)

doi:10.1038/scientificamerican0421-30

Brûler du gaz naturel . Les rédacteurs ; 23 juin 1888.

Lauren J.Young

Luke Taylor et le magazine Nature

Chelsea Harvey et E&E News

Tim Vernimmen et Knowable Magazine

Diana Reiss | Avis

Manon Bischoff