Hydrogène, c’est vert, mais pas si vert que ça…
Contrairement aux combustibles fossiles, qui peuvent être utilisés pour produire de l’énergie directement, l’hydrogène est un vecteur d’énergie et non une source d’énergie. L’énergie utilisée pour extraire l’hydrogène sera stockée dans l’hydrogène produit. L’hydrogène est stockable, transportable et utilisable et a acquis un potentiel en tant que système alternatif de stockage et de distribution d’énergie. Il est produit à partir d’une source d’énergie primaire et est ensuite utilisé comme combustible soit pour la combustion directe dans un moteur à combustion interne, soit dans une pile à combustible.
L’hydrogène doit être produit à partir d’autres sources d’énergie primaire. Près de 50 % de l’hydrogène produit dans le monde provient du gaz naturel, principalement par reformage du méthane à la vapeur. Le reste de l’hydrogène est produit à partir du pétrole (30 %), dont la majeure partie est consommée dans les applications d’hydrotraitement dans les raffineries de pétrole, du charbon (19 %), principalement pour la fabrication de l’ammoniac, et les 2-4 % restants par électrolyse de l’eau. Actuellement, les combustibles fossiles conservent leur rôle dominant dans l’approvisionnement mondial en hydrogène, car les coûts de production sont fortement liés aux prix des combustibles, qui sont encore maintenus à des niveaux acceptables.
Couleurs de l’arc-en-ciel ?
L’hydrogène lui-même est un gaz incolore, mais il existe actuellement environ neuf codes de couleur pour identifier l’hydrogène. Les codes de couleur de l’hydrogène font référence à la source ou au processus utilisé pour produire l’hydrogène. Ces codes sont les suivants : vert, bleu, gris, brun ou noir, turquoise, violet, rose, rouge et blanc. L’hydrogène blanc faisant référence à l’hydrogène naturel, nous abordons ci-dessous les autres couleurs.
L’hydrogène gris est produit à partir de combustibles fossiles et utilise généralement la méthode de reformage du méthane à la vapeur (SMR – steam-methane reforming). Au cours de ce processus, du CO2 est produit et finalement rejeté dans l’atmosphère. La méthode de reformage à la vapeur (SR – steam reforming) implique fondamentalement une conversion catalytique de l’hydrocarbure et de la vapeur d’eau en hydrogène et en oxydes de carbone, et comprend les principales étapes de reformage ou de génération de gaz de synthèse, de réaction du gaz à l’eau (WGS – water-gas shift reaction) et de méthanisation ou de purification du gaz. Les matières premières vont du méthane, du gaz naturel et d’autres gaz contenant du méthane à diverses combinaisons d’hydrocarbures légers, notamment l’éthane, le propane, le butane, le pentane et le naphta léger et lourd. Le reformage du méthane à la vapeur est la méthode la plus courante et la plus développée pour la production d’hydrogène à grande échelle, avec un rendement de conversion compris entre 74 et 85 %. La vapeur et le gaz naturel réagissent sur un catalyseur à base de nickel pour produire du gaz de synthèse à des températures d’environ 850-900 °C. Un H2 de meilleure qualité (99,999 %) est obtenu en appliquant un processus d’adsorption modulée en pression pour séparer le H2 des autres composants.
L’hydrogène noir ou brun est produit à partir du charbon. Les couleurs noire et brune font référence au type de charbon bitumineux (noir) et au type de charbon lignite (brun). Par exemple, la gazéification du charbon par oxydation partielle est une méthode utilisée pour produire de l’hydrogène. La méthode d’oxydation partielle (POX – partial oxidation) implique essentiellement la conversion de la vapeur, de l’oxygène et des hydrocarbures en hydrogène et en oxydes de carbone. L’oxydation partielle est la technologie la plus appropriée pour produire de l’hydrogène à partir de matières premières plus lourdes telles que les résidus de pétrole lourd et le charbon. Le processus catalytique, qui se produit à environ 950 °C, fonctionne avec des matières premières allant du méthane au naphta, tandis que le processus non catalytique, qui se produit à 1150-1315 °C, peut fonctionner avec des hydrocarbures tels que le méthane, le pétrole lourd et le charbon. Après l’élimination du soufre, l’O2 pur est utilisé pour oxyder partiellement la charge d’hydrocarbures et le gaz de synthèse produit est traité de la même manière que le gaz produit par le procédé SR. Le coût de l’installation d’oxygène et les coûts supplémentaires des étapes de désulfuration rendent une telle installation extrêmement capitalistique. Dans le procédé catalytique, la chaleur est fournie par la combustion contrôlée et, à partir du méthane, l’efficacité thermique est de 60 à 75 %.
Si le CO2 est capturé et stocké à l’aide de technologies de capture, de stockage et d’utilisation du carbone (CSC), la couleur attribuée à l’hydrogène produit à partir de combustibles fossiles devient bleue. L’hydrogène bleu provient donc d’un combustible fossile. Cependant, le CO2 est capturé et stocké sous terre (piégeage du carbone). Comme il n’y a pas d’émission de CO2, le processus de production de l’hydrogène bleu est considéré comme neutre en carbone.
L’hydrogène turquoise peut être extrait en utilisant le fractionnement thermique du méthane via la pyrolyse du méthane. Ce processus permet d’éliminer le carbone sous forme solide au lieu du CO2 gazeux. La pyrolyse des hydrocarbures (CHs) est un processus bien connu dans lequel la seule source d’hydrogène est l’hydrocarbure lui-même, qui subit une décomposition thermique pour produire du carbone et de l’hydrogène. Par exemple, la décarbonisation directe du méthane est effectuée dans un environnement sans air ni eau, à une température allant jusqu’à 980 °C et à la pression atmosphérique. L’énergie requise par mole d’hydrogène produite (37,6 kJ/mol) est inférieure à celle de la méthode SMR (63,3 kJ/mol) et pourrait être couverte par la combustion d’environ 15 à 20 % de l’hydrogène produit au cours du processus. En outre, la pyrolyse ne comprend pas les étapes de réaction du gaz à l’eau et d’élimination du CO2, et l’étape à forte intensité énergétique du CSC est remplacée par la gestion du carbone qui pourrait être utilisé dans les industries métallurgiques et chimiques ou être stocké en vue d’une utilisation future.
L’hydrogène vert est produit à partir de ressources renouvelables, telles que la biomasse ou les énergies renouvelables. La raison pour laquelle il est qualifié de vert est qu’il n’y a pas d’émission de CO2 pendant le processus de production. L’hydrogène vert est généralement produit à partir de processus thermochimiques de la biomasse ou de méthodes de séparation de l’eau.
La biomasse est une source renouvelable d’énergie primaire dérivée de matières végétales et animales telles que les cultures énergétiques et les résidus de culture, le bois des forêts et les résidus forestiers, l’herbe, les résidus industriels, les déchets animaux et municipaux et une multitude d’autres matières. Bien que du CO2 soit libéré lorsque la biomasse est utilisée pour la production d’énergie, cette quantité d’émission gazeuse est égale à la quantité absorbée par les organismes lorsqu’ils vivaient encore, ce qui rend le processus neutre en carbone tout en étant renouvelable.
Les procédés thermochimiques de la biomasse constituent la technique par laquelle la biomasse peut être transformée en hydrogène et en gaz riches en hydrogène. La technologie thermochimique comprend principalement la pyrolyse et la gazéification. La pyrolyse de la biomasse est le processus thermochimique de production d’huiles liquides, de charbon solide et de composés gazeux en chauffant la biomasse à une température de 650-800 K à 0,1-0,5 MPa. La gazéification de la biomasse est la conversion thermochimique de la biomasse en un combustible gazeux dans un milieu de gazéification tel que l’air, l’oxygène et/ou la vapeur. Elle a lieu à des températures comprises entre 500 et 1400 °C, à des pressions de fonctionnement allant de la pression atmosphérique à 33 bars, selon l’échelle de l’usine. Les deux processus de conversion produisent, entre autres produits gazeux, du CH4 et du CO qui peuvent être traités ultérieurement pour produire davantage d’hydrogène par le biais du reformage à la vapeur et de la réaction du gaz à l’eau.
L’eau est l’une des matières premières les plus abondantes et les plus inépuisables de la planète. Elle peut être utilisée pour produire de l’hydrogène par des procédés de séparation de l’eau tels que l’électrolyse et la photo-électrolyse. Bien qu’il soit possible de produire simplement de l’hydrogène extrêmement pur à partir de l’eau par électrolyse, la consommation élevée d’électricité par les électrolyseurs empêche le coût de production de rivaliser avec d’autres technologies à grande échelle, contribuant avec une part d’environ 4 % à la production totale. Toutefois, si l’énergie électrique est fournie par des énergies renouvelables telles que l’hydroélectricité, l’énergie éolienne et l’énergie solaire, l’hydrogène produit serait le vecteur énergétique le plus propre, qui peut être utilisé pour stocker l’électricité excédentaire.
La photolyse, en général, est effectuée lorsque l’énergie de la lumière visible est absorbée à l’aide de certains photocatalyseurs et est ensuite utilisée pour décomposer l’eau en H2 et O2. Dans la photo-électrolyse, la lumière du soleil est absorbée par des matériaux semi-conducteurs et le processus de séparation de l’eau est similaire à l’électrolyse. En particulier, si un photon dont l’énergie est supérieure ou égale à la bande interdite du semi-conducteur frappe la surface semi-conductrice de l’anode, une paire électron-trou est générée et séparée par le champ électrique entre le semi-conducteur et l’électrolyte. Les trous restent à l’anode où ils scindent l’eau en H+ qui, à son tour, traverse l’électrolyte jusqu’à la cathode et O2 qui reste, tandis que les électrons traversent un circuit externe jusqu’à la cathode où ils interagissent avec H+ pour former H2. Bien que l’énergie libre requise pour la décomposition de l’eau en H2 et O2 ne soit que de 1,23 eV, la séparation de l’électron du trou, sans l’utilisation d’un potentiel de polarisation externe, nécessite une énergie de bande interdite élevée et, par conséquent, l’efficacité globale diminue considérablement pour atteindre environ 8 %.
Lorsque l’énergie nucléaire est utilisée, la couleur de l’hydrogène change, car on peut se demander si l’énergie nucléaire est verte/propre ou non, mais l’énergie nucléaire n’est certainement pas une énergie renouvelable.
- L’hydrogène violet est produit en utilisant l’énergie nucléaire et la chaleur par électrolyse chimio-thermique combinée à la séparation de l’eau.
- L’hydrogène rose est produit par électrolyse de l’eau en utilisant l’électricité d’une centrale nucléaire.
- L’hydrogène rouge est produit par le fractionnement catalytique à haute température de l’eau en utilisant l’énergie nucléaire comme source d’énergie.
Hydrogène – pas un arc-en-ciel
Le modèle actuel de code couleur ne permet pas de déterminer précisément le degré de propreté (faible émission de carbone) de l’hydrogène produit, car il ne permet pas de déterminer la quantité de gaz à effet de serre émise au cours du processus de production, des sous-systèmes ou du cycle de vie de l’équipement utilisé. En outre, ce code couleur identifie l’utilisation des énergies renouvelables ou du captage et du stockage du carbone (type d’énergie/origine) plutôt que la propreté de l’hydrogène produit. On peut donc se demander si tout l’hydrogène vert est plus propre que l’hydrogène bleu. L’utilisation d’une énergie 100 % renouvelable pour extraire l’hydrogène d’un combustible fossile avec CSC est-elle de l’hydrogène vert ou de l’hydrogène bleu ? Il faut donc prendre cette classification des couleurs avec des pincettes.
D’un point de vue incolore, le SMR est actuellement le procédé le plus rentable pour la production de H2, suivi par la POX. Les SMR possèdent la température de fonctionnement la plus basse, ne nécessitant pas d’oxygène, tandis que la pyrolyse des hydrocarbures offre l’avantage d’une procédure à étapes réduites et sans émissions, le carbone étant le seul sous-produit nécessitant un traitement. Ces méthodes sont d’autant plus avantageuses qu’elles constituent une technique mature et hautement développée pour la production d’H2 par le biais d’infrastructures déjà existantes. Elles permettent également une conversion plus efficace de l’énergie (jusqu’à 85 %) par rapport aux méthodes renouvelables. En revanche, la dépendance à l’égard des combustibles fossiles, combinée aux sous-produits de CO2 libérés dans l’atmosphère au cours du processus de reformage, sont les principales limitations qui poussent la plupart des chercheurs à se tourner vers d’autres méthodes renouvelables. Étant donné que les combustibles fossiles sont actuellement utilisés à la fois comme réactifs et comme carburant pour le processus, ces méthodes dépendent fortement de leur prix. En raison du prix actuel du gaz naturel et du charbon, et de leur grande efficacité en tant que matière première, le coût final de production de l’hydrogène à partir des technologies conventionnelles est au niveau acceptable, le coût le plus bas correspondant à la gazéification du charbon sans le processus de captage et de stockage du carbone (environ 1,3 $/kg).
La biomasse représente une matière première renouvelable et abondante, disponible presque partout. La pyrolyse et la gazéification thermochimiques constituent un moyen efficace de production d’hydrogène (efficacité de l’ordre de 35 à 50 %), offrant l’avantage distinct d’une production simultanée d’hydrogène et d’un recyclage des déchets. En ce qui concerne les inconvénients, les procédés thermochimiques souffrent des impuretés de la matière première et de sa disponibilité saisonnière, ce qui entraîne une variation de la teneur en H2. En utilisant des sources d’énergie et des matières premières moins chères, la pyrolyse thermochimique et la gazéification de la biomasse sont économiquement viables car elles offrent des coûts de production similaires à ceux des technologies conventionnelles.
Les voies de séparation de l’eau sont propres et durables, ne produisant que du H2 et du O2 à partir de l’une des matières premières les plus abondantes au monde. L’électrolyse n’est responsable de l’émission de CO2 que lorsque des combustibles fossiles sont utilisés pour produire l’électricité nécessaire. Si l’on compare toutes les méthodes en fonction de leur source d’énergie primaire, en raison du manque de matériaux photo-catalytiques efficaces, la photo-électrolyse est le processus le moins efficace. Les méthodes de séparation de l’eau offrent des températures et des rendements de conversion modérés lorsque le nucléaire est la source d’énergie privilégiée pour l’électrolyse de l’eau.
Les coûts de production d’H2 des méthodes de séparation de l’eau sont élevés, en particulier de celles qui utilisent la technologie solaire ou éolienne pour fournir l’énergie nécessaire. Les coûts d’investissement élevés et les faibles rendements de conversion entraînent une augmentation des coûts de production qui, dans certains cas, dépassent 20 $/kg pour l’électrolyse. Avec un coût de production supérieur à 10 $/kg d’H2 et un faible rendement, la photo-électrolyse est de loin la méthode la moins rentable actuellement disponible.
Comme la transition immédiate vers l’hydrogène vert serait impossible dans l’état actuel de la technologie, une transition lente du gris/noir au bleu, avec l’application de taxes sur la mission carbone pour encourager le développement de l’hydrogène vert, est nécessaire. Pour que les méthodes renouvelables deviennent compétitives en termes de rentabilité, la deuxième étape devrait être la poursuite de la recherche sur les technologies renouvelables et le développement d’équipements moins coûteux capables de produire de l’H2 de manière plus efficace.
Sources:
https://hydrogeneurope.eu/in-a-nutshell/tech-descriptions/
Nikolaidis et A. Poullikkas, « A comparative overview of hydrogen production processes », Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 67, p. 597‑611, janv. 2017, doi: 10.1016/j.rser.2016.09.044.
Dawood, M. Anda, et G. M. Shafiullah, « Hydrogen production for energy: An overview », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no 7, p. 3847‑3869, févr. 2020, doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.12.059.
Kayfeci, A. Keçebaş, et M. Bayat, « Chapter 3 – Hydrogen production », in Solar Hydrogen Production, F. Calise, M. D. D’Accadia, M. Santarelli, A. Lanzini, et D. Ferrero, Éd., Academic Press, 2019, p. 45‑83. doi: 10.1016/B978-0-12-814853-2.00003-5.
Ishaq, I. Dincer, et C. Crawford, « A review on hydrogen production and utilization: Challenges and opportunities », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 47, no 62, p. 26238‑26264, juill. 2022, doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.11.149.
