La production d’hydrogène est dominée par des procédés polluants (vaporéformage et gazéification d’hydrocarbures), mais l’électrolyse et la captation carbone laissent l’espoir d’un hydrogène décarboné qui remplacerait le pétrole.


L’hydrogène emporte beaucoup d’espoirs: il peut être produit à partir d’eau et ne libère, quand on l’utilise, que de l’eau. Jeremy Rifkin prétendait même que cela remplacerait le pétrole et qu’ainsi se développerait une vraie économie hydrogène à partir de petites unités de production alimentées par le solaire.

Pourtant on en est encore loin : la production d’hydrogène est actuellement à l’origine de 6% des émissions de gaz à effets de serre et dominée à 96% par l’hydrogène fossile … sans captation carbone.

Néanmoins, sa production est un sujet complexe et, aujourd’hui, elle est émet énormément de CO2.

Nous allons voir comment est produit l’hydrogène avant d’approfondir la réalité actuelle de sa production.

A la fin de l’article je vous donnerai des liens vers les autres articles sur le sujet.

Comment produire de l’hydrogène ?

Les principaux procédés de production d’hydrogène sont:

  • Le vaporéformage d’hydrocarbures
  • L’oxydation partielle ou gazéification d’hydrocarbures
  • L’électrolyse de l’eau

Le vaporeformage d’hydrocarbures

Le vaporeformage permet de produire de l’hydrogène à partir d’hydrocarbures. On utilise surtout du méthane. On parle alors de SMR (Steam Methan Reforming).

Cela suppose de chauffer le gaz à une température extrêmement élevée (700-1100°C) et libère 10 fois plus de CO2 que cela ne produit d’hydrogène (en poids).

La première opération et le vaporeformage proprement dit :

  • H2O + CH4 → CO + 3 H2

Cela produit un mélange de monoxyde de carbone et de dihydrogène, aussi appelé gaz de synthèse ou “Syngas“.

On va ensuite chercher un peu de dihydrogène supplémentaire:

  • CO + H2O → CO2 + H2

Le prix

Les estimations de prix varient.

Selon Fossil Fuel Hydrogen, Technical, Economic and Environmental Potential, le prix de production de l’hydrogène par vaporéformage de méthane, sans dispositif de capture de carbone, serait entre 0.55$ et 2.04$ /kg d’H2 avec une médiane à 1.3$. Avec capture de carbone, le prix serait de 2$.

Le CEA (2012) estime son prix à 1.5€/kg d’H2.

Pour les détails techniques, l’article wikipedia est très fouillé.

La gazéification par oxydation partielle (POX)

L’oxydation partielle ou gazéification consiste à chauffer fortement (1200-1500°C) des hydrocarbures ou de la biomasse pour libérer le dihydrogène et du monoxyde de carbone. C’est surtout utilisé pour le pétrole et le charbon.

Le principe est similaire au vaporeformage en remplaçant l’eau par du dioxygène, si ce n’est qu’il se fait à température et pression (20-60 bars) plus élevées.

Le prix de production de l’hydrogène par gazéification du charbon est entre 0.83 et 1.7$ par kg d’H2. La captation carbone élèverait le prix de 10% (Fossil Fuel Hydrogen, Technical, Economic and Environmental Potential).

Il y a eu deux projets de production d’hydrogène en France à partir de biomasse:

  • “Wood-hy/hy-boy” porté par les communes des Landes d’Armagnac va produire de l’hydrogène à partir du bois de trituration des pins de la forêt Landaise. Il a été développé avec Enosis et est soutenu par Engie. Le site devrait entrer en production en 2022 et fabriquer 1000 tonnes d’hydrogène par an.
  • VitrHydrogène vise à développer Hynoca (HYdrogen NO CArbon), un procédé industriel de Haffner Energy consistant à convertir une biomasse variée en hydrogène. Un premier démonstrateur devait démarrer en 2019 à Vitry-le-François.

L’électrolyse : l’hydrogène “vert”

Transformer de l’eau en carburant, génial non ? C’est ce que propose l’électrolyse de l’eau.

On va faire passer un courant électrique entre deux électrodes: une anode et une cathode. Au niveau de la première, l’électricité dégage de l’oxygène (4 OH → O2 + 2H2O + 4 e) et, au niveau de la seconde, se dégage l’hydrogène (2 H2O + 2 e → H2 + 2 OH).

https://www.encyclopedie-energie.org/wp-content/uploads/2016/06/art108_figure2_cellule-electrolyse.png
Crédits : Encyclopedie-energie

Le prix

Les estimations de prix varient.

Selon Fossil Fuel Hydrogen, Technical, Economic and Environmental Potential, le prix de production de l’hydrogène par électrolyse utilisant l’énergie éolienne serait entre $2.85 et 7.3 par kg de H2, avec une médiane à 4.8$.

Le CEA (2012) estime son prix à entre 5 et 30€/kg d’H2 selon la taille de l’exploitation. Il pourrait néanmoins diminuer à 3€/kg d’H2 avec des installations à grande échelle, avec une électricité à 40€/MWh.

Caroline Rozain (2013) reprend le chiffre de 3 € kg-1 H2 pour un prix de l’électricité de 40 € MWh-1.

L’électrolyse alcaline

L’électrolyse alcaline utilise une solution d’hydroxyde de potassium (KOH, aussi appelée potasse) comme électrolyte. Elle se déroule à température moyenne (80°C à 160 °C) et à pression modérée (3 à 30 bars).

C’est la méthode la plus utilisée, parce qu’elle demande le moins d’investissements, ses matériaux étant ordinaires.

Elle a rendement de 60 à 70% ou 68 à 77%. Son problème est qu’elle supporte mal l’intermittence, elle n’est donc en soi pas adaptée au stockage de l’éolien et du solaire (sauf, si j’ai bien compris, avec la solution de Lhyfe).

L’électrolyse PEM (Membrane à échange de protons)

L’électrolyse PEM (Proton Exchange Membrane) utilise une membrane solide comme électrolyte.

Elle a un rendement de 62 à 77%

Elle demande des investissements plus conséquents (les électrolyseurs sont 2 fois plus chers), utilisant ds métaux nobles (de la platine surtout) pour les catalyseurs. Néanmoins, le fait que l’électrolyte ne soit pas un liquide facilite grandement la maintenance, ce qui réduit les coûts de fonctionnement de l’installation.

Ces électrolyseurs sont aussi plus adaptés aux sources d’énergie intermittentes (solaire, éolien).

C’est sensiblement la même chose qu’une pile à combustible (la PEMFC, “Proton Exchange Membrane Fuel Cell“). Cela veut notamment dire que les efforts de recherche dans le domaine sont doublement utiles.

Cette technologie fonctionne, normalement, à une température modérée (70 à 80°C). Des recherches expérimentent cette technologie à 130-180°C.

L’électrolyse à haute température

Des technologies proposent de se passer des catalyseurs nobles de l’électrolyse PEM en fonctionnant à hautes températures. Paradoxalement, cela diminuerait radicalement les coûts d’investissement et de fonctionnement.

C’est par exemple le cas de l’électrolyse SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell). En augmentant la température de l’électrolyse à entre 700 et 1000 °C, on est capable d’améliorer radicalement l’efficacité: le processus atteindrait un rendement de 90%.

“Les projections technico-économiques pour les très grosses unités permettent d’envisager un coût de l’ordre de 2€/kg, ce qui est inférieur aux autres technologies d’électrolyse et qui se rapproche du coût de l’hydrogène produit actuellement par vaporéformage d’hydrocarbures … les émissions de CO2 en moins.”

Vidéo ci-dessous

Les unités seraient, en plus, réversibles, c’est-à-dire qu’elles pourraient faire office de piles à combustibles et être ainsi idéales pour le stockage d’énergies intermittentes.

Le CEA sur l’électrolyse à haute température. Très intéressant et synthétique.

Le biohydrogène

Certains organismes produisent naturellement de l’hydrogène lors de la phytosynthèse. On obtient ainsi directement de l’hydrogène de l’énergie solaire. C’est notamment le cas de certaines algues vertes et cyanobactéries.

Cette méthode est encore expérimentale.

Production d’hydrogène par voie biologique

Dissociation thermochimique de la vapeur d’eau

Il s’agit ici de chauffer tellement l’eau qu’elle se dissocie en une molécule d’hydrogène et une d’oxygène. Il faudrait, pour le réussir à pression atmosphérique, une chaleur de 3500°C. Pour diminuer ce besoin, on utilise d’autres atomes. Par exemple, on utilise de l’iode et du souffre :

                                      I2 + SO2 + 2 H2O → 2 HI + H2SO4

L’hydrogène et l’iode sont ensuite dissociés. La chaleur demandée par ce processus est bien moindre, mais encore extrême : entre 900 et 1000°C.

Cette chaleur pourrait être coproduite par du nucléaire ou du solaire.

Notez qu’elle a été abandonnée par le CEA et les Etat-Unis:

“Les procédés de décomposition de l’eau à haute température « par cycles thermochimiques » ont été étudiés dans les années 2000 au CEA. Cette technique consiste à mettre en oeuvre une série de réactions chimiques en cycle fermé (c’est-àdire avec recyclage intégral des réactifs intermédiaires), afin de décomposer l’eau pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène.

Dans son principe, cette approche est très adaptée à une production de masse : à partir d’une matière première (l’eau) pratiquement inépuisable, les débits d’hydrogène sont proportionnels aux flux des réactifs et des apports énergétiques, et non aux phénomènes de diffusion aux interfaces, et cela sans apport d’électricité.

Le CEA a arrêté en 2009 ses études « laboratoire » sur différents cycles, les procédés n’ayant pas d’intérêt économique prouvé à court/moyen terme. Les Etats-Unis ont choisi également d’arrêter la R&D sur cette filière ; d’autres pays comme le
Japon poursuivent leurs programmes.”

CEA (2012)

La photoélectrolyse de l’eau

Il serait possible de transformer directement de l’eau en hydrogène par l’action du soleil. Ce serait la photoélectrolyse. Cette technologie implique l’utilisation de semi-conducteurs.

Elle est encore au stade expérimental, mais une équipe de chercheurs aurait trouvé une méthode pour que ce processus produise de l’hydrogène à 5€/kg, ce qui serait très intéressant.

L’hydrogène fatal ou hydrogène coproduit

L’hydrogène fatal est le fruit d’un processus qui n’a pas pour objet sa production. C’est un “coproduit”. Parmi ses producteurs, il y a l’industrie du chlore, la production de coke (un charbon …) et le raffinage de produits pétroliers.

La production d’hydrogène aujourd’hui

La part des différents modes de production

D’après AFHYPAC:

Originede l’hydrogènePourcentage
Gaz naturel49%
Pétrole29%
Charbon18%
Électrolyse4%

William J.Nuttall et Adetokunboh T.Bakenne, Fossil Fuel Hydrogen, Technical, Economic and Environmental Potential, trouvent les mêmes données.

Aux Etats-Unis, 95% de l’hydrogène produit l’est par vaporéformage du méthane. (Bahman Zohuri, Hydrogen Energy, Challenges and Solutions for a Cleaner Future, 2019, p.19)

Au final, globalement le consensus semble être que :

  • l’électrolyse ne représente que 4% de la production d’hydrogène. Le reste vient des énergies fossiles.
  • Le vaporéformage du méthane le principal moyen de production de l’hydrogène actuellement.

L’intérêt de l’électrolyse serait, actuellement, surtout pour l’extrême pureté du dihydrogène produit, qui serait “nécessaire aux laboratoires de recherche et à l’industrie des semi-conducteurs“.

Notez l’erreur de Connaissance des énergies, qui affirme que le vaporéformage du méthane représente 96% de la production d’hydrogène …

Le prix de l’hydrogène

Selon Bernard Deboyser, le coût de

  • l’hydrogène vert “est aujourd’hui de 5 à 6 € par kg soit environ 4 fois plus que l’hydrogène gris.”
  • Le vaporéformage couterait 1,5 €/kg d’H2.

Selon William J.Nuttall et Adetokunboh T.Bakenne, Fossil Fuel Hydrogen, Technical, Economic and Environmental Potential l’hydrogène fossile serait 3.7 fois moins cher que l’hydrogène vert. Néanmoins, l’utilisation d’un système de capture du carbone diminue ce chiffre à 1.8.

Toutefois beaucoup d’institutions s’accordent sur le fait que l’hydrogène vert devrait devenir beaucoup meilleur marché. Un rapport de Bloomberg NEF estime même que le prix de l’hydrogène vert pourrait descendre à 0.8/1.6$/kg, ce qui le rendrait compétitif avec l’hydrogène fossile.

Les principaux producteurs

Les principaux producteurs d’hydrogène sont :

  • Air Products (18,5 milliards de mètres cubes
  • Air Liquide (13 milliards de mètres cubes)
  • Praxair et Linde, qui ont fusionné en 2018.

Néanmoins, l’essentiel de la production se fait au sein de réseaux internes.

“Sa valorisation en tant que matière première étant encore très supérieure à sa valeur énergétique, les disponibilités d’hydrogène sont généralement regroupées sur chaque site dans un « réseau hydrogène » et redistribuées dans les diverses unités de fabrications du site qui en sont consommatrices.”

AFHYPAC, Production et consommation d’hydrogène aujourd’hui, Mémento de l’hydrogène, fiche 1.3

Ainsi, en 2014, 88% du marché de production d’hydrogène était “captif”. Sur ses 103.52 milliards de dollars seuls 12.71 était vendu sur les marchés. (Fossil Fuel Hydrogen, Technical, Economic and Environmental Potential)

Production d’hydrogène et nucléaire

La chaleur des centrales nucléaires pourrait être utilisée pour produire de l’hydrogène, notamment avec l’électrolyse à haute température et la dissociation thermochimique de la vapeur d’eau. Si les réacteurs actuels fonctionnent à des températures insuffisantes pour cela, il y a des prototypes qui atteindraient des chaleurs suffisantes (au Japon, le HTTR ; en Chine, le HTR10 ; aux États-Unis un SMR/EM2)

Conclusion

Ainsi, la production d’hydrogène n’est aujourd’hui absolument écologique et ne le sera pas à court terme. Toutefois les perspectives à moyen et long termes sont plus positives. Selon Carolina Dores, de Morgan Stanley, le prix de la production d’hydrogène vert pourrait diminuer de 70% d’ici 2030, principalement en raison du développement de l’offre d’énergie renouvelable, et être ainsi compétitif avec l’hydrogène fossile.

Outre le problème de la production, il y a celui de la compression, du stockage et du transport qui est terrible et réduit radicalement le rendement. Pour le transport routier, le challenge est considérable :

Même si la filière a fait de gros progrès, imaginer que les particuliers pourront rouler demain à l’hydrogène est parfaitement utopique car le problème de sa distribution est presque insurmontable.

L’argus, journal automobile

Ainsi, même si l’hydrogène vert arrive à “battre” l’hydrogène fossile, tiendra-t-il la comparaison, pour l’écomobilité, avec les véhicules électrique ?

[Rq: cet article est en cours d’approfondissement, je vais devoir lire pas mal d’études scientifiques avant de vous proposer sa forme finale, notamment pour les parts de chaque mode de production sur lesquelles personne n’est d’accord visiblement >_<]

Pour aller plus loin:

Sur la production d’hydrogène :