Production d'hydrogène

L’hydrogène seul est un atome introuvable à l'état naturel, il est toujours associé à d’autres atomes pour former une molécule (H2O, CH4, THC…).

Il est cependant possible d’extraire de certaines molécules les atomes d’hydrogène et de les stocker sous la forme de dihydrogène H2. Plusieurs méthodes existent pour créer du dihydrogène : le vaporeformage, l’électrolyse de l’eau, la dissociation thermochimique de l’eau et l’oxydation partielle.

La fabrication de dihydrogène n’est à ce jour pas très développée car elle requiert une importante quantité d’énergie, et produire de l’hydrogène à partir d’énergies fossiles, pour alimenter une pile à combustible, est aussi absurde que brûler de l’essence pour se réchauffer en période de canicule.

Production d'hydrogène

Projet pilote de production d'hydrogène à partir d'électricité renouvelable installé à Fukushima, à proximité du lieu de la catastrophe nucléaire © Toshiba Energy

Principales méthodes utilisées pour produire de l'hydrogène

En 2020, la production annuelle mondiale de dihydrogène est d’environ 70Mt (106 tonnes). Elle est issue environ à 70% de gaz naturel par vaporeformage, à 25% de charbon par oxydation partielle et à 2% de l’eau par électrolyse.

Technologie Part dans la production mondiale Principale source d'énergie
Vaporeformage ≈70% Gaz naturel
Oxydation partielle ≈25% Charbon
Dissociation thermochimique de l’eau ≈3% Gaz naturel
Électrolyse de l'eau ≈2% Électricité fossile / nucléaire / renouvelable

Vaporeformage

C’est la méthode la plus utilisée qui consiste à faire réagir certains hydrocarbures avec de la vapeur d’eau.

Portés à haute pression (entre 20 et 30 bars, 1 bar ≈ 101 325Pa = pression atmosphérique) et à haute température (entre 840°C et 920°C), la vapeur d’eau et le méthane (hydrocarbure le plus utilisé pour le vaporeformage) vont réagir et former un gaz de synthèse composé principalement de monoxyde de carbone et d’hydrogène.

CH4 + H2O → CO + 3H2

Le monoxyde de carbone va ensuite réagir avec la vapeur d’eau en excédant, et à nouveau former de l’hydrogène, mais aussi du dioxyde de carbone.

CO + H2O → CO2 + H2

Le bilan des deux réactions donne : CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

Il ne reste plus qu’à séparer le dihydrogène des polluants. Deux méthodes existent, le PSA (Pressure Swing Absorption) qui absorbe les impuretés, ou la méthanisation, plus efficace et de plus en plus utilisée par les industriels.

La méthode de production par vaporeformage est très polluante : pour 1kg de H2 produit, 10kg de CO2 sont rejetés.

 

Par oxydation partielle

L’oxydation partielle est une technique proche du vaporeformage car il y a une production d’un gaz de synthèse converti par la suite en hydrogène. Les différences sont les conditions dans lesquelles sont effectuées les réactions, à savoir une température et une pression plus élevées (entre 900°C et 1500°C pour une pression comprise entre 20 et 60 bars), et le comportement de la réaction qui a lieu. La réaction est dite exothermique (qui dégage de la chaleur).

Cette technique a pour avantage de fonctionner avec diverses substances, du gaz naturel aux résidus de fioul lourd, en passant par la biomasse…

Si la source d’énergie thermique, mécanique et/ou électrique est verte, la production de dihydrogène est légèrement moins polluante que pour le vaporeformage : pour 1kg de H2 produit, 9.3kg de CO2 sont rejetés.

 

Par dissociation thermochimique de l’eau

Il est possible de créer de l’hydrogène en le dissociant de l’oxygène contenu dans l’eau. L’énergie nécessaire pour réussir à casser les liaisons covalentes des molécules d’eau est très grande. Cette énergie peut être uniquement thermique (thermolyse), ou thermique et électrique et/ou mécanique.

La thermolyse n’est pas envisageable à échelle industrielle car la température minimale à atteindre doit être de 3000K (≈ 2700°C). En revanche, il est possible de réduire la quantité d’énergie thermique nécessaire en faisant intervenir une autre énergie, soit électrique, soit mécanique pour compenser.

Au sein de la réaction, des substances chimiques sont introduites pour les faire réagir entres elles et avec l’eau présente. Nous observons des réactions de combinaison et de dissociation des molécules, d’où nous extrairons l’hydrogène.

 

Par électrolyse de l’eau

Cette méthode est la réaction inverse qui se produit dans une pile à combustibe PEMFC : deux électrodes reliées à un générateur, séparées par un électrolyte. L’électricité fournie par le générateur dissocie les molécules d’eau puis les sépare en deux groupes distincts : le dihydrogène et le dioxygène.

C’est la moins répandue des techniques car son rendement est très faible. Pour dissocier une mole d’eau, il faut fournir une énergie de 285kJ.

Néanmoins c’est à ce jour la méthode la plus prometteuse car elle n’a besoin « que » d’eau et d’électricité. L’eau représente plus de 70% de la surface de la Terre et, dans le cas de la pile à combustible, est inépuisable puisqu’elle assemble l’hydrogène avec l’oxygène pour reformer de l’eau. L’électricité peut quant à elle être produite grâce à des sources renouvelables en grande quantité.

Exemples de projets & installations : Production d'hydrogène

Le four solaire du laboratoire de recherche de Cologne permet de concentrer jusqu'à environ 5200 fois le rayonnement solaire - © DLR

Le four solaire du laboratoire de recherche de Cologne permet de concentrer jusqu'à environ 5200 fois le rayonnement solaire - © DLR

Hydrosol II, un réacteur expérimental pour produire de l’hydrogène en exploitant l’énergie solaire
Almeria, Espagne

Hydrosol II est un réacteur exploitant l'énergie solaire, au service de la production de dihydrogène par hydrolyse de l'eau. L'énergie solaire récupérée permet au réacteur d'atteindre des températures supérieures à 1400°C.

Lire la suite Site du projet Hydrosol (english)

Rédaction & contributions



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