Production H2

Actuellement, la majorité de l'hydrogène est produit à partir de gaz naturel. ce processus de fabrication n'est néanmoins pas tenable à long terme en raison des réserves limitées de gaz naturel, du problème non résolu d'émission de CO₂.

Pour produire de l'hydrogène, plusieurs possibilités sont étudiées, certaines sont déjà arrivées à maturité technologique et d'autres sont encore au stade du développement:

Les deux premières options requièrent la mise en place d'une infrastructure pour le stockage, le transport et la distribution, la troisième est plus complexe (surtout pour un reformage embarqué) mais l'infrastructure de distribution des carburants existe. La mise en place et surtout le coût de la distribution et du stockage seront cruciaux pour la viabilité économique des différentes options.

Dans tous les cas, il n'y a pas une réponse ou une solution qui sera privilégiée aux dépends d'une autre. Certaines méthodes sont encore loin dêtre matures ou viables de façon économique. De plus, tout dépendra du pays et des ressources énergétiques domestiques disponibles considérées. Un pays avec d'abondantes ressources de type hydro, forêt .. pourra privilgégier la fabrication d'hydrogène à partir de renouvelables, de même avec ceux qui auront toujours un parc nucléaire pourront utliser ces réacteurs. Une chose est néanmoins à prendre en compte: c'est la quantité d'énergie qu'on doit utiliser pour produire cet hydrogène ainsi que le rendement global comparé à celui de méthodes de production d'électricité comparables.. Autre facteur à prendre en compte: les émissions de gaz à effet de serre (ou seulement de CO₂)¹.

Reformage des Carburants fossiles
La production d'hydrogène à partir de carburants fossiles est actuellement la plus répandue, mais elle ne constitue pas une solution à terme puisque tous ces carburants ont une durée de vie limitée. Elle pourrait constituer une solution pour le début pour des petites quantités, mais cette technique génère du CO₂.
On distingue trois procédés:

Les paragraphes suivants donnent les bases des techniques de reformage, on peut sinon se reporter à la page Reformeur.

Le vaporeformage
Le vaporeformage consiste à faire réagir un hydrocarbure avec de l'eau sous l'action d'un catalyseur. Il est surtout réalisé avec des hydrocarbures légers; actuellement il est surtout fait avec du gaz naturel.
Le gaz naturel est composé en majeure partie de méthane, mais contient aussi du CO₂ et du soufre. Ce dernier doit être d'abord éliminé avec la désulfuration. Le procédé de vaporeformage se scinde alors en deux réactions, la première est la réaction du méthane avec l'eau qui produit du CO et de l'hydrogène, la seconde est la réaction de Water Gas Shift entre l'eau et le CO:

La première réaction du reformage a lieu vers 800-900°C pour une pression de 25 bar, on obtient alors un gaz riche en CO et en H₂ contenant aussi du CO₂. Cette réaction est endothermique.
La seconde réaction est due à la nécessité d'éliminer le CO. Elle est en général réalisée en deux étapes, les réactions de High Temperature Shift et de Low Temperature Shift qui ont lieu vers 400 et 200°C respectivement. Ces réactions sont légèrement exothermiques. On obtient alors un gaz contenant essentiellement H₂, CO₂, H₂O, un peu de CO, de CH₄.
Cette étape est suivie d'une ultime purification du gaz. Il y a deux procédés possibles.

Ces procédés sont mûrs techniquement, des unités produisant de 20 à 100.000 m³/h existent déjà. Le prix de l'hydrogène produit dépend du prix du gaz naturel et des coûts d'investissement (Capital Cost). Pour les petites installations, les coûts les plus importants seront les coûts d'investissement, la part des prix liés au carburant augmente pour les grosses installations. Vu les fluctuations sur le prix du gaz naturel, c'est un facteur à ne pas négliger.

L'oxydation partielle
L'oxydation partielle consiste en une réaction entre un carburant (gaz naturel, hydrocarbures légers, voire le charbon) avec l'oxygène, suivie ici encore d'une purification du gaz en raison du monoxyde de carbone CO. Elle peut être réalisée avec des hydrocarbures plus lourds que pour le vaporeformage; en revanche, comme pour le vaporeformage, le carburant doit aussi être purifié: il doit d'abord être débarrassé du soufre - ce qui peut être fait avant ou après la première réaction d'oxydation, puis du CO₂ et du CO. Ce procédé est arrivé à maturité.
La première réaction - celle d'oxydation - a généralement lieu à plus haute température (1200 à 1500°C) et pression (20 à 90 bars); elle est exothermique.

Elle est ensuite suivie des réactions de Water Gas Shift et des techniques d'ultime purification. Globalement, la réaction est exothermique.

Le reformage autotherme
Le reformage autotherme est une combinaison des deux procédés précédents puisque le carburant est mélangé avec de l'air et de l'eau. L'oxydation partielle est exothermique et la chaleur dégagée permet de fournir de la chaleur au vaporeformage qui est une réaction endothermique. Au total on n'a donc pas besoin d'apport de chaleur. Le mélange produit doit être purifié du CO grâce aux réactions de Water Gas Shift et aux techniques d'ultime purification. Ce procédé permet d'atteindre une très bonne efficacité et peut être utilisé pour plusieurs carburants: le gaz naturel, le méthanol ou des hydrocarbures. C'est ce procédé qui est envisagé dans les applications automobiles pour un reformage embarqué.

Autres procédés:
Parmi les autres procédés, on peut citer:
- La gazéification du charbon: cette technique fut la source principale de H₂ avant le reformage, mais n'est plus utilisée actuellement, sauf en Afrique du Sud ou en Chine. Elle n'est compétitive que là où le pétrole et le gaz sont chers. Néanmoins, cette technique gagne de plus en plus d'importance: elle permet de produire de l'électricité et des sous produits comme l'hydrogène. Le principe est le suivant: on mélange le charbon à de l'eau et de l'air à 1000°C et sous haute pression, et on obtient un gaz contenant en majorité du CO et de l'hydrogène. On peut alors séparer H₂ et CO des autres impuretés. Le CO est éliminé par Water Gas Shift, le CO₂ est séparé du reste et pourra être stocké (Carbon sequestration). Le rendement électrique serait de 45 % dans un premier temps et pourrait aller jusque 60% dans le futur.

- Le procédé Kværner: depuis les années 80, la société Kvaerner Engineering (Norvège) obtient de l'hydrogène à partir de méthane (voire d'hydrocarbures). Le procédé à arc à plasma nécessite de l'électricité, sa température est de 1600°C mais il ne produit aucune émission de CO₂. Depuis 1992, une usine pilote produit 200 Nm³/h d'hydrogène à partir de 1000 Nm³/h de méthane et de 2100 kW. Les seuls autres produits sont du charbon et de la vapeur qui peut être réutilisée.

Electrolyse de l'eau
On parle souvent de l'électrolyse de l'eau comme un moyen de production d'hydrogène à long terme; cette ressource étant a priori illimitée et cette technique ne produisant pas de CO₂. Cela permettrait de stocker l'électricité sous forme chimique et de réutiliser plus tard l'hydrogène. Cette technique est déjà utilisée mais ne représente qu'une part infime de la production actuelle.
Il sera nécessaire de faire une analyse à la fois économique mais aussi énergétique et environnementale portant sur tout le cycle de vie, et ce pour évaluer les coûts de production de l'hydrogène et l'impact sur l'environnement. Ces résultats dépendront largement du type d'électricité utilisée et de son coût. Pour que le procédé soit rentable, il faut une électricité à faible coût. Mais l'intérêt est aussi la production sur place supprimant tout problème de transport.

On pourrait ainsi utiliser l'électricité produite à partir d'énergies renouvelables: cela serait intéressant dans la mesure où la production d'électricité par ce moyen n'est pas vraiment simultanée par rapport aux besoins. L'autre possibilité est d'utiliser l'électricité produite par des centrales nucléaires (notamment pendant les heures creuses).

Energie solaire
On distingue dans l'énergie solaire le solaire thermique et le solaire photovoltaique. Le premier n'est pas intéressant dans l'optique qui nous intéresse (trop bas niveau de température pour le thermique classique, cher dans le cas du thermique "haute température"). En revanche, le photovoltaique permet de produire de l'électricité. Cette technique dépend encore des progrès technologiques et de diminution de coût à faire dans la fabrication des cellules.

Energie éolienne
L'énergie éolienne est actuellement en plein développement en Europe: en Allemagne, en France...L'Allemagne est largement en tête en Europe avec plus de 16 GW installés en 2005 (environ la moitié de la capacité en Europe). Les plus grosses éoliennes ont une puissance autour de 1 à 2,5 MW. Des systèmes ont été proposés qui conjuguent une éolienne alimentant des habitations en électrcité, fabricant de l'hydrogène par électrolyse quand la production est supérieure à la demande et alimentant le village en électricité générée par une pile dans le cas inverse. C'est une idée qui fait son chemin, puisqu'elle est envisagée par la Norvège pour une petite île et est envisagée par le Danemark (sans aucun engagement).

Hydraulique
L'hydraulique est l'énergie renouvelable la plus économique, mais tous les pays ne sont pas égaux. En France, elle représente environ 17% de l'électricité produite, mais cette capacité arrive à saturation. En revanche, d'immenses réserves existent en Amérique du Sud et en Asie.

Si on considère la réaction, elle est le contraire de celle qui se passe dans la pile. Il faut de l'eau très pure (déionisée) pour éviter que les impuretés perturbent le fonctionnement de l'électrolyse. Typiquement, la cellule d’électrolyse est constituée de deux électrodes (cathode et anode), d'un électrolyte et un générateur de courant. L’électrolyte peut être une solution alcaline, une membrane polymère échangeuse de protons (du type de celles utilisées pour les PEMFC) pour une électrolyse basse température ou une membrane céramique conductrice d’ions oxygène pour une électrolyse haute température.

Electrolyse basse température
Cette électrolyse est réalisée à des températures d'environ 80°C; le procédé est mature. On peut utiliser deux types d'électrolytes: une solution alcaline (NaOH, KOH) ou une membrane polymère échangeuse de protons (cf. PEMFC)

Dans le cas d'une membrane échangeuse de protons:
A l'anode, l'eau se dissocie en oxygène et en protons. Les électrons partent dans le circuit.

A la cathode, les protons, passés à travers la membrane, se recombinent avec les électrons pour donner l'hydrogène.

Ces réactions sont l'inverse de celles de la pile. Sous apport du courant, l'eau est dissociée en hydrogène et oxygène. Il est nécessaire d'apporter de l'énergie électrique puisque l'enthalpie de dissociation de l’eau est de 285kJ/mole. Cela correspond à un potentiel théorique de 1.481 V à 25°C, mais en pratique on a plutôt des potentiels entre 1.7 à 2.3 V.

Des constructeurs ont développé de petites unités de production d'hydrogène par électrolyse basse température (0-500 Nm³/h).

Electrolyse haute température
L'électrolyse haute température est réalisée à des températures entre 700 et 1000°C, mais on utilise dans ce cas une membrane céramique conductrice d’ions oxygène (cf. SOFC). Les réactions sont donc différentes de celles de l'électrolyse basse température car ce sont les ions oxygène qui circulent à travers la membrane:

L'une des principales difficultés vient des matériaux qui doivent résister à plusieurs cycles aux hautes températures. L'intérêt de la haute température est que l'énergie électrique à fournir diminue quand la température augmente, néanmoins la chaleur requise pour chauffer l'eau augmente également. Il faut donc coupler le cycle de l'eau avec une source de chaleur. C'est ici que le nucléaire dit de 4^ème génération pourraient intervenir, puisqu'ils permettraient de fournir à la fois l'électricité et la chaleur requise. Mais on peut utiliser de l'électricité venant d'autres sources; dans ce cas là l'eau est amenée dans l'électrolyseur à une température inférieure à celle requise mais est y réchauffée par l'énergie dissipée par effet Joule: ce fonctionnement est dit autothermique.

Les réacteurs nucléaires dits de 4^ème génération sont déjà à l'étude. Plus sûrs, ils devront aussi permettre de consommer moins de combustible nucléaire, produire moins de déchets mais également produire autre chose que de l'électricité: de l'hydrogène et dessaler l'eau de mer. On parle de rendements de l'ordre de 50 %. Peu de pays (10 en tout) travaillent actuellement sur cette technologie, la France, les USA, le Japon, l'Argentine, le Brésil, Canada, Corée du Sud, Afrique du Sud, Suisse, Royaume-Uni. Il existe en tout 6 technologies: un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium liquide, par un alliage de plomb liquide, par du gaz, un réacteur refroidi avec de l'eau supercritique, un réacteur à gaz à très haute température, et un réacteur à sels fondus. Le CEA a retenu en particulier le réacteur à gaz à haute température soit 1100°C (VHTR). Le Japon et les USA s'intéressent au système refroidi au sodium. Néanmoins, cette technologie ne serait commercialement disponible que vers 2030-2040...

Moins connus que les autres procédés, ces cycles consistent en une suite de réactions chimiques aboutissant à la dissociation de l'eau avec recyclage des réactifs intermédiaires. Il existe notamment le cycle Iode-Soufre, le cycle Brome-Soufre et le cycle de Westinghouse. Alors que le cycle Iode Soufre est purement thermochimique, les deux autres incluent une électrolyse, d'où une limitation de rendement. Le cycle Iode Soufre est en revanche assez complexe du point de vue chimique avec l'utilisation d'iode et une importante re-circulation des réactifs.

Cycle Iode Soufre

La biomasse - elle aussi une énergie renouvelable - peut aussi permettre de produire de l'hydrogène, mais aucun procédé n'est encore mûr techniquement. On peut penser à la biomasse pour produire de l'électricité qui permettra ensuite de produire l'hydrogène par électrolyse. Plusieurs méthodes existent actuellement:

- transformation en alcool (éthanol, méthanol) ou méthane suivi de reformage,
- thermolyse et gazéification de la biomasse suivi de reformage,

La fermentation de la biomasse permet de produire une solution alcoolisés, dont on pourra ensuite obtenir après distillation du méthanol ou de l'éthanol. Un autre type de fermentation (anaérobie) permet d'obtenir du biogaz contenant essentiellement du méthane et du CO₂. Ceux ci peuvent être ensuite reformés suivant les procédés vus ci dessus.
Dans le cas de la gazéification de la biomasse, on va d'abord faire sécher la biomasse, puis la thermolyser à 600°C. On la fait réagir vers 1000°C avec de l'air ou de l'eau (reformage), enfin on élimine les impuretés. De là, on obtient un gaz riche en H₂ et CO, que l'on peut utiliser directement pour produire de l'électricité, purifier pour en extraire H₂, ou transformer en méthanol .. C'est un procédé qui est faisable mais nécessite dees améliorations: tout d'abord au niveau de la matière première - type de biomasse, comment la collecter, la stocker avec les problématiques inhérentes de logistique et de coût. De plus, il faut optimiser le procédé de gazéification en lui même.

Algues vertes et bactéries
Une autre possibilité réside dans les algues vertes. En effet, au cours de la photosynthèse, les plantes vertes dissocient l'eau en hydrogène et oxygène. L'hydrogène sera combiné au CO₂ pour construire des tissus végétaux tandis que l'oxygène est libéré dans l'atmosphère. Ce type de procédé pourrait être au point techniquement d'ici 2 ans, et sur le marché d'ici 5 à 8 ans.

¹De nombreuses analyses sont réalisées sur le calcul des émissions et des rendements globaux. Je ne citerai pas de résultat ici, car cela impose de bien donner toutes les hypothèses prises en compte.

L'hydrogène carburant du futur?

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L'hydrogène
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