Production d'hydrogène

La production d'hydrogène, ou plus exactement de dihydrogène, s'obtient encore le plus souvent par un procédé d'extraction chimique de combustibles fossiles, principalement du méthane, du charbon et de coupes pétrolières. La production de dihydrogène par cette voie présente l'avantage d'un coût compétitif, mais l'inconvénient d'être à l'origine d'émissions de CO₂ non biogénique, qui dépassent généralement 10 kilogrammes de CO₂ par kilogramme d'hydrogène produit.

L'électrolyse de l'eau et la thermolyse de la biomasse sont deux procédés industrialisés, permettant de produire un hydrogène à empreinte carbone faible (liée uniquement aux émissions de CO₂ dues à la production de l'électricité).

Le dihydrogène est un vecteur énergétique majeur dans beaucoup de bactéries : il y est un sous-produit de la fermentation et de la fixation de l'azote. De façon artificielle, il peut être produit par réduction chimique, ou encore par la chaleur (thermolyse) ; ces autres méthodes sont moins propices à la production industrielle, voire encore expérimentales. La découverte et le développement de méthodes moins coûteuses de production d'hydrogène en masse permettraient d'accélérer la mise en place d'une « économie hydrogène ».

Histoire

L’histoire de la production d'hydrogène débute avec les expériences de Cavendish en 1766.

L'alchimiste Paracelse, au XVI^e siècle, entrevoit le gaz ; un siècle plus tard, Robert Boyle parvient à le recueillir, mais ne le distingue pas de l’air ordinaire. En 1603, Théodore de Mayerne l’enflamme et John Mayow, vers la fin du XVII^e siècle, le distingue de l’air. Enfin, au commencement du XVIII^e siècle, Nicolas Lémery en constate aussi l’inflammabilité[1].

Ce n’est qu’en 1766 que le gaz est étudié par Cavendish. En 1783, Antoine Lavoisier découvre que l’« air inflammable » de Cavendish, qu’il baptise hydrogène (du grec « formeur d’eau »), réagit avec l’oxygène pour former de l’eau.

La découverte de l’« air inflammable », comme on l’appelait alors, est donc ancienne. Théodore de Mayerne et Paracelse l’obtenaient par réaction entre l’« huile de vitriol » (de l’acide sulfurique) diluée et versée sur du fer ou du zinc[2]^{[réf. incomplète]}. En 1870, le gaz produit pour les besoins des ballons à gaz n’utilise pas d’autre moyen[3]. Au XXI^e siècle, le gros du dihydrogène requis est produit à partir du méthane présent dans le gaz naturel, par catalyse hétérogène[4].

Procédés

Production mondiale de dihydrogène[5]

Vaporeformage du méthane (49 %)
Oxydation partielle du pétrole (29 %)
Gazéification du charbon (18 %)
Électrolyse de l'eau (4 %)

La production mondiale de dihydrogène représente 50 Mt en 2015, dont 49 % provient du vaporeformage du méthane, 29 % de l'oxydation partielle du pétrole, 18 % de la gazéification du charbon et 4 % de l'électrolyse de l'eau[5]. D'autres procédés sont largement minoritaires ou à l'état d'expérimentations, qui peuvent s'avérer prometteurs selon l'évolution relative des coûts des matières premières. Les procédés principaux consistent essentiellement à dissocier des hydrocarbures par une température élevée et l'adjonction de vapeur d'eau ou de dioxygène, éventuellement en présence d'un catalyseur ; les réactions ainsi entretenues donnent H2 et CO₂, l'hydrogène provenant à la fois de l'eau et de l'hydrocarbure. Les émissions de CO₂ de ces procédés atteignent, en 2020, 830 millions de tonnes par an, soit environ 2 % des émissions mondiales et quasiment autant que le secteur aérien ou que le transport maritime[6].

Le dihydrogène ainsi produit est dans sa grande majorité consommé localement[7]. Il entre en jeu dans la synthèse d'ammoniac comme engrais par le procédé Haber-Bosch (44 % de la consommation) et pour la conversion du pétrole lourd en fractions plus légères, par hydrocraquage (46 %)[5].

Classement par couleurs

Les modes de production de l'hydrogène sont distingués par des noms de couleur[8]^,[9], variables selon les pays faute de consensus :

hydrogène gris, produit par vaporeformage du méthane (mode de production le plus utilisé) sans séquestration géologique du dioxyde de carbone ;
hydrogène brun ou noir : produit par gazéification du charbon ;
hydrogène bleu : produit par conversion de combustibles fossiles avec capture et séquestration du dioxyde de carbone[10] ou, pour d'autres auteurs, à partir d'énergie bas carbone non renouvelable, par exemple par électrolyse de l'eau alimentée par l'énergie nucléaire[11] (voir « hydrogène jaune » ci-dessous) ;
hydrogène jaune : produit par électrolyse de l'eau à partir d’électricité d’origine nucléaire[12], il est rose pour certains[13]^,[14], ou violet pour d’autres[15] ;
hydrogène rouge : produit à partir du nucléaire par dissociation catalytique à haute température[16] ;
hydrogène vert : produit sans émission de GES, par un procédé d’électrolyse de l’eau[17]. Par exemple, produit à partir d'énergie renouvelable, soit par électrolyse de l'eau à partir d'électricité renouvelable, soit par thermolyse de la biomasse[18] ou, selon la terminologie du plan de relance français, produit à partir d'électricité bas carbone (de source renouvelable ou nucléaire)[19] ;
hydrogène blanc : hydrogène natif ou naturel[20]^,[21] ;
hydrogène turquoise : extrait du méthane par pyrolyse[9]^,[22].

Devant cette absence de consensus, les députés européens pointent la nécessité d'un accord sur une terminologie uniforme afin de, notamment, distinguer clairement l'hydrogène renouvelable, l'hydrogène à faible teneur en carbone et l'hydrogène d'origine fossile[23].

Par vaporeformage d'hydrocarbures

Illustration des intrants et des produits du vaporeformage du gaz naturel, un processus qui produit de l’hydrogène et du CO₂, gaz à effet de serre qui peut être séquestré.

Schéma des intrants et des produits de la pyrolyse du méthane.

Le dihydrogène qualifié d'hydrogène gris[24] est produit par vaporeformage du gaz naturel ou, moins souvent, du GPL ou du naphta, selon leur prix et leur disponibilité[7]. Le rendement énergétique de conversion atteint 72-82 % (sur pouvoir calorifique inférieur) selon le procédé mis en œuvre[25]. Le vaporeformage du méthane fournit, en 2015, 49 % du dihydrogène produit dans le monde[5].

La méthode de conversion des hydrocarbures cause des rejets de gaz à effet de serre. Le vaporeformage du méthane rejette ainsi de 10 à 12 tonnes de CO₂ par tonne d’hydrogène produite[22]. Étant donné que la production est concentrée dans un seul établissement, il est possible de séparer les gaz et de les séquestrer (l'hydrogène est alors qualifié d'hydrogène bleu[24]), par exemple pour les injecter dans une couche de pétrole ou de gaz naturel, mais les coûts de tels procédés et l'incertitude sur les risques de relargage du CO₂ font qu'il ne sont que rarement mis en œuvre, dans les années 2010^{[réf. souhaitée]}. Par exemple, un projet d'injection de dioxyde de carbone dans le gisement de gaz de Sleipner (en) a été lancé par la compagnie norvégienne StatoilHydro[26].

Réduction de la vapeur d'eau

La première étape est la réaction de vaporeformage proprement dit[27].

À haute température (840 à 920 °C, obtenue par combustion d'un quart du méthane[28]) et à pression modérée (20-30 bar), de la vapeur d'eau (H₂O) réagit avec le méthane (CH₄) sur un catalyseur au nickel (Ni) pour obtenir un mélange de monoxyde de carbone (CO) et de dihydrogène (H₂), mélange connu sous le nom de « gaz de synthèse »[27].

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

Cette réaction endothermique absorbe 191,7 kJ/mol d'énergie.

La chaleur nécessaire au processus est généralement fournie par combustion d'une partie du méthane.

Conversion du monoxyde de carbone

Centrale à cycle combiné à gazéification intégrée de charbon, à Tampa (États-Unis).

Du dihydrogène supplémentaire peut être récupéré par ajout d'eau, par le biais de la réduction de l'eau, dans la réaction du gaz à l'eau réalisée à environ 130 °C :

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Cette oxydation est exothermique, qui libère 40,4 kJ/mol pour entretenir la réaction en cours.

Essentiellement, l'atome d'oxygène (O) est extrait de l'eau (vapeur) ajoutée pour oxyder le CO en CO₂.

Bilan

Le bilan des deux réactions est alors une réaction endothermique :

CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂

Le gaz de synthèse obtenu contient 16 à 25 % de CO₂ en volume.

Par oxydation partielle

L'oxydation partielle peut s'effectuer sur du gaz naturel, des fractions plus lourdes du pétrole, du charbon ou de la biomasse, les charges solides étant alors gazéifiées. Le rendement énergétique de conversion atteint typiquement 53-67 % (sur pouvoir calorifique inférieur) selon le procédé mis en œuvre[25]. Quelle que soit la charge, ce procédé implique alors un surcoût par rapport au vaporeformage du méthane[29]. Il est donc employé essentiellement dans quelques cas :

pour fournir des gaz de synthèse avec un ratio H₂/O particulier utile à la pétrochimie ;
lorsque les hydrocarbures légers sont indisponibles ;
pour détruire des résidus d'hydrocarbures lourds peu valorisables.

Le principe du procédé est similaire à celui du vaporeformage du méthane pour former également du gaz de synthèse, à ceci près que l'oxydation de l'hydrocarbure choisi est effectuée par du dioxygène au lieu d'eau, que la réaction bilan est exothermique, et qu'on n'a (généralement) pas recours à un catalyseur. Au lieu de celui-ci, les conditions sont plus contraignantes, la température (900 à 1 500 °C) et la pression (20-60 bar étant plus élevées[30].

Par électrolyse de l'eau

Électrolyseur, vu de face, avec panneau électrique en arrière-plan.

Schéma montrant les intrants et les produits de l'électrolyse de l'eau, pour produire de l'hydrogène potentiellement sans émission de gaz à effet de serre.

L'électrolyse de l'eau est un procédé électrolytique qui décompose l'eau en dioxygène et dihydrogène grâce à un courant électrique. Environ 4 % du dihydrogène gazeux produit dans le monde est produit par électrolyse[5].

Le rendement énergétique de l'électrolyse de l'eau atteint 40 %, sur pouvoir calorifique inférieur (PCI), ou 80 % sur pouvoir calorifique supérieur (PCS), c'est-à-dire si toute la chaleur latente de la vapeur produite est valorisée en sus de l'hydrogène[5]^,[31]. Ces valeurs se réfèrent seulement au rendement de la conversion de l'énergie électrique en énergie chimique de l'hydrogène ; l'énergie perdue lors de la génération de l'électricité et du traitement de l'eau n'est pas comptabilisée. L'eau pure nécessaire au procédé est en effet obtenue par osmose inverse, procédé coûteux en énergie et émetteur de CO₂[22].

Une électrolyse alimentée en électricité décarbonée, d'origine renouvelable (hydroélectricité, éolien, solaire photovoltaïque) ou nucléaire, permettrait de réduire la pollution émise^[Combien ?], par rapport au vaporeformage ou à l'électrolyse alimentée en électricité carbonée. Selon la source d'énergie utilisée, l'hydrogène est qualifié d'hydrogène vert dans le cas d'énergie renouvelable, ou d'hydrogène jaune dans le cas d'un apport par le nucléaire[24].

Le Département de l'Énergie des États-Unis a sélectionné en 2019, dans le cadre de son programme de développement de réacteurs nucléaires avancés (Nuclear Energy’s Advanced Reactor Development Project), quatre projets de démonstration de la production d'hydrogène par des centrales nucléaires : un en août 2019 (Exelon) et trois en septembre : FirstEnergy Solutions (FES) dans sa centrale nucléaire de Davis-Besse dans l'Ohio, Xcel Energy dans l'une de ses deux centrales du Minnesota et Arizona Public Service (APS) dans sa centrale nucléaire de Palo Verde. Ces projets recevront des subventions et un appui de plusieurs laboratoires de recherche publics. Ils visent en particulier à absorber la variabilité de production des énergies renouvelables[32].

Produire de l'hydrogène par une voie chimique directe ou thermochimique reste plus efficace que par électrolyse^{[réf. nécessaire]}, mais la filière chimique est associée à des risques de pollution ou de génération de sous-produits toxiques lors de l'extraction de l'hydrogène.

Des procédés alternatifs électrolytiques, encore marginaux, sont présentés ci-dessous.

Fractionnement photoélectrochimique de l'eau

Utiliser l'électricité produite par des systèmes photovoltaïques est la façon la plus « propre » de produire de l'hydrogène. L'eau est séparée en dihydrogène et dioxygène par électrolyse dans une cellule photoélectrochimique (PEC), un procédé également nommé « photosynthèse artificielle ». Les recherches menées par l'industrie photovoltaïque concernent l'élaboration de cellules multijonctions plus efficaces et à durée de vie plus longue.

Électrolyse à haute température

Quand l'énergie est disponible sous forme de très haute température (centrale nucléaire ou moindrement concentration solaire thermique), la meilleure voie de production du dihydrogène pourrait être l'électrolyse à haute température (HTE). Contrairement à l'électrolyse à basse température, la HTE convertit davantage de chaleur initiale en énergie chimique (le dihydrogène), ce qui permet d'augmenter l'efficacité de conversion d'environ 50 %^{[réf. nécessaire]}. L'électrolyse à haute température est ainsi théoriquement plus efficace que le procédé à température ambiante (jusqu'à 92 % sur pouvoir calorifique supérieur (PCS)[33]), puisqu'une partie de l'énergie nécessaire à la réaction est apportée via la chaleur, moins chère à obtenir que l'électricité, et que les réactions d'électrolyse ont un meilleur rendement à haute température.

L'HTE a été démontrée en laboratoire, mais pas encore à échelle industrielle. Des prototypes de réacteurs nucléaires dits « de quatrième génération » fonctionnent de 850 à 1 000 °C, température considérablement plus élevée que celle des réacteurs nucléaires actuels^{[réf. nécessaire]}. General Atomics prédit que le dihydrogène produit dans un réacteur nucléaire à très haute température coûterait 1,53 $/kg^{[réf. nécessaire]}. En 2003, le vaporeformage produisait du dihydrogène à 1,40 $/kg. En 2005, avec l'envolée du prix du pétrole, le prix du dihydrogène était de 2,70 $/kg. Par conséquent, pour les seuls États-Unis, une économie de dizaines de milliards de dollars par an est possible sur le dihydrogène produit par le nucléaire.

Une telle production centralisée viserait un approvisionnement en hydrogène compétitif face au procédé de vaporeformage.

Par fermentation

La production de dihydrogène par fermentation est la conversion de substrat organique en « biohydrogène » par divers groupes de bactéries utilisant plusieurs systèmes d'enzyme, impliquant trois étapes semblables à la digestion anaérobie. On distingue et oppose :

la photofermentation, qui ne se produit qu'en présence d'une lumière suffisante, par exemple avec Rhodobacter sphaeroides SH2C qui peut être employée pour convertir de petites molécules d'acides gras en hydrogène[34]. L'électrohydrogenèse (en) est utilisée dans la pile à combustible microbienne ;
la fermentation en obscurité (dark fermentation en anglais), qui résulte de l'action de bactéries capables de produire constamment l'hydrogène à partir de composés organiques (de jour comme de nuit).

Un prototype de bioréacteur à hydrogène utilisant des déchets comme matière première est opérationnel à l'usine de jus de raisin Welch, dans le nord-est de la Pennsylvanie^{[réf. nécessaire]}.

Photoproduction

Production d'hydrogène par des algues.

Dans certains organismes comme les algues ou les cyanobactéries, et dans certaines conditions de croissance, une partie des électrons issus de la production photosynthétique d'oxygène peut être utilisée pour la production d'hydrogène. Il ne s'agit pas d'un métabolisme naturel, et il n'est que transitoire parce que les enzymes hydrogénases qui catalysent la production de dihydrogène sont inhibées par l'oxygène. Ce phénomène a été expliqué dans les années 1990 et fait depuis l'objet de développements[35], ce qui ouvrirait la voie à l'exploitation.

Par la nitrogénase

Le dihydrogène est un sous-produit de la réaction de réduction bactérienne de l'azote en ammonium catalysée par la nitrogénase[36].

Production chimique

La production chimique de dihydrogène exploite une réaction de corrosion en solution aqueuse.

Des différents métaux envisagés, l'aluminium et ses alliages sont parmi les plus appropriés pour le développement à venir[37]. L'aluminium peut être stocké et transporté d'une manière simple, plus sûre et moins chère que le dihydrogène. Il est stable dans les conditions habituelles et beaucoup moins cher que le borohydrure de sodium (NaBH₄) (3 $/kg)[38].

Les réactions de l'aluminium avec les solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium sont les suivantes[39] :

2Al + 6H₂O + 2NaOH → 2NaAl(OH)₄ + 3H₂ (1) ;

NaAl(OH)₄ → NaOH + Al(OH)₃ (2) ;

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂ (3).

Initialement, la réaction de la génération du dihydrogène (1) consomme de l'hydroxyde de sodium, mais lorsque la concentration d'aluminate de sodium est supérieure à la limite de saturation, l'aluminate subit une réaction de décomposition (2) qui produit un précipité cristallin, de l'hydroxyde d'aluminium, avec la régénération de l'alcali. La réaction (2) a été étudiée en profondeur au sujet de la pile à aluminium. La réaction totale (1 et 2) de l'aluminium dans une solution aqueuse, qui génère du dihydrogène, est décrite par la réaction (3). Il a été démontré que ce processus est en mesure de produire du dihydrogène à partir de l'aluminium avec régénération des ions hydroxyde[40]. Un obstacle majeur à la production de dihydrogène par cette voie vient du fait que la surface de l'aluminium peut être facilement passivée[41], mais la passivation peut être minimisée en optimisant plusieurs paramètres expérimentaux tels que la température, la concentration de l'alcali, la forme de la matière première (l'aluminium) et la composition de la solution.

Les systèmes de production de dihydrogène reposant sur la corrosion de l'aluminium n'ont pas besoin d'un apport de chaleur externe, puisque la corrosion de l'aluminium est une réaction exothermique. Celle-ci peut être obtenue dans des états de température et de pression douces, offrant une source de dihydrogène stable et compacte. Cette réduction chimique est particulièrement adaptée pour les applications à distance, mobiles, ou marines. Un kilogramme d'aluminium produit environ 4 kWh d'énergie sous forme de dihydrogène[42] et, pour un objectif de génération de dihydrogène de 100 % d'efficacité, il est possible de parvenir à une capacité gravimétrique d'hydrogène de 11,2 %m H₂, qui est une valeur significative à l'accomplissement des objectifs de recherche du département de l'Énergie des États-Unis[43]. Cette capacité gravimétrique d'hydrogène peut être augmentée en utilisant une combinaison d'aluminium et de tétrahydruroborate de sodium (NaBH₄)[44].

Production thermochimique

Certains procédés thermochimiques peuvent produire du dihydrogène et du dioxygène à partir d'eau et de chaleur sans utiliser d'électricité. Étant donné que le seul apport énergétique pour de tels processus est la chaleur, ils peuvent être plus efficaces que l'électrolyse à haute température. Ceci parce que l'efficacité de la production d'électricité est intrinsèquement limitée. La production thermochimique de dihydrogène utilisant l'énergie chimique du charbon (hydrogène noir ou brun[24]) ou du gaz naturel n'est généralement pas considérée, parce que la voie chimique directe est plus efficace.

Des centaines de cycles thermochimiques ont été présélectionnés. Certains des plus prometteurs comprennent :

cycle soufre-iode (cycle IS) ;
chlorure de cérium (cycle Ce-Cl) ;
chlorure de fer (cycle Fe-Cl) ;
iodure de magnésium (cycle Mg-I) ;
chlorure de vanadium (cycle V-Cl) ;
sulfate de cuivre (cycle Cu-SO₄).

Il existe aussi des variantes « hybrides », qui sont des cycles thermochimiques avec une étape électrochimique :

cycle hybride soufre ;
cycle cuivre-chlore (Cu-Cl).

Pour tous les procédés thermochimiques, la réaction résumée est celle de la décomposition de l'eau :

{\rm {H_{2}O{\text{ }}{\stackrel {chaleur}{\rightleftharpoons }}{\text{ }}H_{2}+{1 \over 2}O_{2}}}

.

Tous les autres produits chimiques utilisés sont recyclés.

Aucun des processus thermochimiques de production d'hydrogène n'a été appliqué à un niveau de production, bien que plusieurs aient été démontrés en laboratoire.

À partir des sables bitumineux

En août 2019, la société canadienne Proton Technologies expose un nouveau procédé d'extraction de l'hydrogène des sables bitumineux du Canada[45]. Il repose sur l'injection d'oxygène dans des sables bitumineux, qui élève la température et libère de l’hydrogène. Celui-ci peut ensuite être séparé des autres gaz via des filtres idoines, ce qui ne laisse remonter en surface que l'hydrogène pur. Cette technologie permettrait d'extraire l'hydrogène d'une manière beaucoup plus propre que tous les procédés connus jusqu'alors, et pour un coût moindre[46].

Autres méthodes

L'électrolyse chlore-soude, à partir de saumure (eau chargée en sel) et d'énergie électrique, produit également du dihydrogène, en même temps que du dichlore et de la soude.
Le reformage plasma, qui permet de décomposer un hydrocarbure en hydrogène et carbone[47]^,[48].
Le craquage de l'eau par photocatalyse fait appel à des photons de diverses longueurs d'onde et à des catalyseurs, éventuellement dopés par des cocatalyseurs qui améliorent les performances du système.

Voir aussi

Sources et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Hydrogen production » (voir la liste des auteurs).

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AFHYPAC 2014.
Bellona 2002, p. 19.

Voir aussi

Articles connexes

Reformage du méthane
Production d'ammoniac • Production d'ammoniac (en)
Réacteur nucléaire à très haute température
Vecteur énergétique
Économie hydrogène
Stockage d'hydrogène
Technologie de l'hydrogène
Chronologie des technologies de l'hydrogène
Station-service d'hydrogène (en)
Détection de fuite
Détection de fuite d'hydrogène (en)
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Liens externes

Bibliographie

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