La production de l’hydrogène et ses carburants alternatifs   

Nomenclature de l’hydrogène

La nomenclature recommandée pour l’hydrogène privilégie maintenant les attributs environnementaux en mettant en avant la source d’énergie primaire et les émissions de GES associées :

·        Hydrogène renouvelable : produit à partir de sources d’énergies renouvelables et dont le procédé de production respecte un seuil d’émission d’équivalents de CO2 émis par kilogramme d’hydrogène produit.

·        L’hydrogène bas-carbone, produit à partir de sources d’énergies non renouvelables et respectant le même seuil de kgCO2eq/kgH2.

·        L’hydrogène carboné, désigne un hydrogène ni renouvelable ni bas-carbone. Sont regroupées ici les productions par des énergies fossiles ou encore par électrolyse alimentée par des mix électriques carbonés

Afhypac – 2021

Origine de l’hydrogène

L’hydrogène, vecteur d’énergie, peut être produit de différentes façons. Il est utilisé industriellement depuis plus de 100 ans. Actuellement, la grande majorité de l’hydrogène provient des combustibles fossiles.

40 % de l’hydrogène est produit à partir de gaz naturel,

30 % à partir de pétrole lourd et de naphta,

18 % à partir de charbon,

4 % à partir de l’électrolyse,

1 % à partir de la biomasse.

Les plus gros utilisateurs de l’hydrogène sont les industries des engrais et du pétrole avec respectivement 50 % et 37 % de la consommation ainsi que la métallurgie.[1]

           

De l’hydrogène produit par vaporeformage

Il est donc majoritairement extrait d’hydrocarbures fossiles par reformage comme le charbon, le gaz naturel ou le pétrole. Monolith Materials avec les sites OC1 et OC2 aux États-Unis présente un concept d’utilisation de la ressource fossile avec cependant une CCS qui permet de qualifier l’hydrogène de bas carbone. En lieu et place du gaz naturel, l’utilisation du biométhane (méthane issu de la fermentation de la biomasse) constitue une solution de production d’hydrogène renouvelable. Le vaporeformage utilisé dans ce cas consiste à faire réagir du méthane avec de l’eau pour obtenir un mélange contenant de l’hydrogène et du CO2. Le CO2 émis par ce procédé pourrait éventuellement être capté et stocké (CCS) pour réduire le bilan environnemental de l’hydrogène produit. Cependant ces techniques de CCS doivent être améliorées pour limiter le rejet de CO2 dans l’atmosphère. De plus le vaporeformage de du gaz naturel rend l’hydrogène toujours dépendant des ressources fossiles.

 

Moyens alternatifs de production d’hydrogène bas carbone

Des nouvelles méthodes de production renouvelable en dehors de l’électrolyse font l’objet de recherche. On citera un laboratoire de l’EPFL démontrant la possibilité de production d’hydrogène par concentration de lumière[2]. Cette technologie est au stade de démonstration et ne peut pas encore faire l’objet d’une production industrielle à court terme mais sera une solution pertinente. Les performances atteintes par ce procédé sont déjà bonnes avec un rendement de conversion annoncé à 17 %. Un autre projet lancée par la KU Leuven avec Fluxys puis Toyota annonce un rendement de conversion mesuré à 15 %. La photolyse utilisée consiste à décomposer la molécule d’eau à partir d’énergie lumineuse. Tandis que l’électrolyse consiste à décomposer la molécule d’eau à partir d’électricité elle-même produite par effet photovoltaïque ; le rendement de cette chaîne plus « longue » est actuellement de 12 à 15 %.

Certains organismes peuvent convertir des composés organiques en hydrogène (fermentation). D’autres peuvent décomposer une molécule d’eau en hydrogène (photolyse).

Ces deux techniques sont adaptées à la production décentralisée dans des usines pilotes proches de là où la biomasse et les déchets sont facilement disponibles pour améliorer le TRE. Le bio-hydrogène alors produit pourrait être associé au biométhane si les infrastructures de transport et de consommation devenaient compatibles avec ce mélange. Un rapport récent d’acteurs européens annonce ce changement.

Différentes technologies sont utilisées pour la production biologique d’hydrogène, on note principalement :

  • La Bio-photolyse de l’eau par les cyanobactéries et les microalgues vertes peut être appliquée dans la production d’énergie renouvelable.
  • La Combinaison de la photo-fermentation(en milieu liquide et fortement éclairé) et de la fermentation sombre (processus complexe impliquant un groupe divers de bactéries avec une série de réactions biochimiques) présente un niveaux plus élevés de production d’hydrogène ave un fonctionnement « rapide et simple ». Elle utilise une grande variété de déchets organiques comme substrats ce qui représente un moyen de traitement efficace pour des déchets.

Cette combinaison est donc l’approche la plus intéressante pour augmenter la production de bio-hydrogène. Un tel approvisionnement sera possible dans quelques années[3].

 

Carburants de synthèse et bio-carburant, une alternative à l’hydrogène ?

Parmi les vecteurs d’énergie alternatifs à l’hydrogène on trouve le gaz naturel associé à la capture et séquestration de carbone (CCS), les bio-carburants (Bio-LNG issu de la méthanisation et Biodiesel) produits par la biomasse ainsi que les carburants de synthèse (syn-diesel, syn-méthane) produits à partir d’énergies renouvelables à l’instar du SunToLiquid[4]. À l’exception du gaz naturel associé à une CSS, ces autres carburants ont un faible TRE. La combustion de ces carburants rejette des gaz à effet de serre mais le bilan entre l’amont et à la combustion (WtW) est bas carbone.

 

Moyens de productions

Développements prometteurs de la photolyse et de la production d’hydrogène par des micro-algues et des bactéries

Solution industrielle actuelle et retenue : électrolyse de l’eau

 

[1] Plus de 80 % de la production d’hydrogène est encore issue de composés des combustibles fossiles – IFPEN et IEA 2020

[2] EPFL Hydrogène, LRESE/EPFL, https://actu.epfl.ch/news/production-record-d-hydrogene-en-concentrant-la-lu/

[3] Menia (2016) : https://ogst.ifpenergiesnouvelles.fr/articles/ogst/full_html/2019/01/ogst180300/ogst180300.html

& Morsy (2017) : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S101113441631106X?via%3Dihub

[4] https://www.solarchemieforum.de/pdf/kon_01_19/SUN-to-LIQUID_Batteiger_Bauhaus%20Luftfahrt.pdf

 

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