Bilan énergétique Jupiter 1000

Le projet Jupiter 1000 à Fos-sur-Mer

• Le projet Jupiter 1000 à Fos-sur-Mer est un démonstrateur industriel de Power-To-Gas (PtG) à l'échelle du mégawatt.
• Lancé en 2016
• Opérationnel depuis 2019/2020

Vidéo de présentation

Données et contexte

• Site : Plateforme Innovex – PIICTO (Fos-sur-Mer, Bouches-du-Rhône).
• Objectif : démontrer la faisabilité industrielle du Power-to-Gas (PtG) à l’échelle du MW.
• Mise en service : 2019–2020.
• Électrolyse : 2 électrolyseurs (0,5 MW PEM + 0,5 MW alcalin).
• Production : ~200 m³ H₂ / heure.
• Électricité : 100 % renouvelable (éolien / solaire du CNR + parc portuaire).
• Capacité de tests : 5 000 000 kWh sur 3 ans.
• Réaction de méthanation (Sabatier) : \[ CO_2 + 4H_2 \rightarrow CH_4 + 2H_2O \]
• Hypothèses physiques usuelles :

Énoncé

1. Calculez la production d’H₂ en kg en 1 heure en supposant un rendement de 60 %
2. À partir de la production mesurée de 200 m³ H₂ / h, calculez le flux volumique d’H₂ (m³/h) et l’énergie chimique correspondante (kWh/h).
3. En appliquant la stœchiométrie (4 H₂ → 1 CH₄) et en supposant un rendement théorique de 100%, calculez les flux molaires, massiques, volumiques et énergétiques de CH₄:
4. En comparant au volume CH₄ mesuré = 25 m³/h, en déduire le rendement réel de la méthanation .
5. Calculer le rendement global de cette technologie (électrolyse + méthanation)
6. Calculer les flux molaires, massiques et volumiques de CO₂ capturé.
7. Conclusions sur l'intérêt énergétique, environnemental et économique de cette technologie.

Corrigé détaillé

1) Flux massique H₂

• En une heure, l'énergie électrique disponible est d'un MWh.
• Comme le rendement n'est que de 60 %, seulement 600 kWh seront réellement utilisés pour l'électrolyse.
• Le flux de H₂ produit en une heure sera donc donné par:

\[ \text{Flux massique H}_2 = \frac{1000}{33} \times 0{,}6 = \boxed{ 18\ \text{kg H₂\ /\ h} } \]

2) Production H₂ → moles, masse et énergie

• Le flux molaire est:

\[ \text{Flux molaire H}_2 = \frac{18\,000}{2} = \boxed{ 9\,000\ \text{mol H₂\ /\ h} } \]

• Dans les conditions STP (25°C et 1 bar), une mole de gaz occupe un volume molaire de 24,7 litres
• Un mètre cube de H₂ pèse donc

\[ \rho_{H_2} = \frac{1000}{24,7} \times 0,002 = \boxed{ 0.089 \ \text{kg/m³}} \]

• Le flux volumique H₂ produit par l'électrolyse est donc \[ \text{Flux volumique H}_2 = \frac{18}{0.089} = \boxed{ 202 \ \text{m³ H₂\ /\ h}} \]

• L'énergie chimique stockée dans ce flux de H₂ est

\[ \text{Énergie chimique H}_2 = 18\ \text{kg} \times \text{LHV(H₂)} = 18 \times 33 = 594 \ \text{kWh} = \boxed{ 600 \ \text{kWh / h}} \]

3) Production théorique CH₄ si tout l’H₂ converti:

• Stœchiométrie de 0.25 mole de CH₄ pour une mole de H₂ utilisée.
• Le flux molaire de CH₄ est

\[ \text{Flux molaire CH}_4 = \frac{9\,000}{4} = \boxed{2\,250\ \text{mol CH₄\ /\ h}} \]

• Le flux massique de CH₄ est

\[ \text{Flux massique CH}_4 = 2\,250 \times 0,016 = \boxed{ 36\ \text{kg CH₄\ /\ h} } \]

• Un mètre cube de CH₄ pèse donc

\[ \rho_{CH_4} = \frac{1000}{24,7} \times 0,016 = \boxed{ 0.648 \ \text{kg/m³}} \]

• Le flux volumique CH₄ produit par la méthanation est donc \[ \text{Flux volumique CH}_4 = \frac{36}{0.648} = \boxed{ 55,6 \ \text{m³ CH₄\ /\ h}} \]

• L'énergie chimique stockée dans ce flux de CH₄ est

\[ \text{Énergie chimique CH}_4 = 36\ \text{kg} \times \text{LHV(CH₄)} = 36 \times 10 \approx \boxed{ 360 \ \text{kWh/h}} \]

4) Calcul du rendement réel de la méthanation

• En fait, le flux volumique de CH₄ est de 25 m³ CH₄/h.
• Le rendement de la méthanation est donc: \[ \text{Rendement méthanation} = \frac{25}{55.6} = \boxed{ 45\,\%} \]

• Le flux massique réel de CH₄ est

\[ \text{Flux massique CH}_4 = 0,45 \times 36 = \boxed{ 16.2\ \text{kg CH₄\ /\ h} } \]

• L'énergie chimique stockée dans ce flux de CH₄ est

\[ \text{Énergie chimique CH}_4 = 0,45 \times 360 \approx \boxed{ 162 \ \text{kWh\ /\ h}} \]

5) Rendement global

• Sur le MWh d'énergie électrique de départ, on ne conserve plus que 162 kWh d'énergie chimique.
• Le rendement global du procédé est donc: \[ \text{Rendement global} = \frac{162}{1000} = \boxed{16\ \%} \]

6) Flux de CO$_2$ capturé

• Pour une mole de CH$_4$ relâchée, la méthanation a consommé une mole de CO$_2$. \[ \text{Flux molaire CO}_2 = \frac{9\,000}{4} \times 0.45 = \boxed{1012\ \text{mol CO₂/h}} \]

• Le flux massique de CO₂ est

\[ \text{Flux massique CO}_2 = 1012 \times 0,044 = \boxed{ 44.5\ \text{kg CO₂/h} } \]

• Le flux volumique de CO₂ est

\[ \text{Flux volumique CO}_2 = 1012 \times 0,0247 = \boxed{25\ \text{m³ CO₂/h}} \]

7) Conclusions

• Rendement énergétique limité : seule environ 16 % de l’énergie électrique initiale est conservée sous forme chimique dans le méthane produit.
• Efficacité comparable à la photosynthèse : si l’on considère que les panneaux photovoltaïques ont un rendement d’environ 20 %, le rendement global du procédé (production d’électricité → méthane) n’est que de 3,2 % ($0{,}2 \times 0{,}16 = 0{,}032$ = 3.2 %).
• Un intérêt ciblé : malgré ce faible rendement, la technologie présente un intérêt stratégique dans certains contextes industriels, notamment pour valoriser le CO$_2$ émis par les cheminées d’usine et contribuer à la décarbonation de ces secteurs.

Résumé synthétique