Les formes de production d'hydrogène

Il est de plus en plus évident que le monde souffre du changement climatique, avec des températures de plus en plus extrêmes et des catastrophes naturelles de plus en plus fréquentes et graves. Ces effets négatifs proviennent de la pollution produite par l'humanité depuis des siècles, comme l'émission continue de gaz à effet de serre due à l'utilisation de combustibles fossiles.

Les gaz à effet de serre (GES) constituent un groupe très large, mais le plus abondant est le dioxyde de carbone (CO2), qui sert de facteur de proportionnalité pour d'autres. Par exemple, une tonne de méthane a le même effet sur l'atmosphère que l'effet d'environ 20 à 25 tonnes de dioxyde de carbone ; c'est donc là que le potentiel d'effet de serre du méthane est de 20 à 25 tCO2e (tonnes d'équivalent dioxyde de carbone). pour une décarbonisation massive d'ici les années 2030 et en mettant l'accent sur des émissions d'équivalent carbone nulles d'ici 2050.

Pour atteindre ces objectifs, il est nécessaire de comprendre la transition énergétique, qui traite d'un changement de paradigme impliquant la production, la consommation et la réutilisation de l'énergie, d'autant plus que la production d'énergie sous ses formes les plus variées est responsable d'une grande partie des émissions mondiales de GES.

Ce concept part de la protection des matrices énergétiques, telles que le charbon ou les combustibles à base de pétrole, pour les sources d'énergie renouvelables, telles que le solaire, l'hydroélectricité, l'éolien et la biomasse. Cette transition énergétique s'étend également à l'efficacité énergétique, à la numérisation, à l'environnement, à la gestion des déchets et à d'autres moyens, afin d'atteindre l'objectif commun de réduction des émissions de GES.

Dans ce contexte, l'hydrogène (H2) produit par des procédés à faibles ou nulles émissions de CO2 apparaît comme une source d'énergie alternative capable de décarboner les producteurs dits intensifs de GES, libérés lors de la combustion de combustibles fossiles, comme cela se produit, par exemple, dans les industries du ciment et de l'acier.

Bien que le H2 ne soit pas une substance inconnue et qu'il ait déjà été largement utilisé dans divers procédés, son utilisation comme alternative de décarbonisation repose sur la possibilité d'obtenir la molécule grâce aux énergies renouvelables, ainsi que sur son utilisation, sans émission de gaz polluants, par exemple, la combustion de l'hydrogène ne libère que de l'eau (H2O) et de l'oxygène (O2). Cependant, il est encore nécessaire de faire évoluer les procédés de production, de transport et de stockage de l'hydrogène, en tenant compte à la fois des aspects de sécurité et des prévisions techniques et économiques.

Le procédé de production d'hydrogène peut être divisé en trois voies principales : électrolytique, thermique et photolytique, chacune divisée en sept procédés principaux, fournissant diverses ressources, à la fois de la biomasse et des combustibles fossiles. Les procédés utilisant des combustibles fossiles comprennent le reformage (oxydation partielle, reformage à la vapeur, oxydation partielle et reformage autothermique) et la pyrolyse des hydrocarbures.

Les procédés de production à partir de ressources renouvelables peuvent être classés selon la matière première : biomasse ou eau. Les procédés utilisant la biomasse peuvent être divisés en deux sous-catégories : thermochimiques et biologiques. La première comprend la pyrolyse, la gazéification, la combustion et la liquéfaction de la biomasse, tandis que les principaux procédés biologiques sont la biophotolyse, la fermentation obscure et la photofermentation. La deuxième catégorie de technologies renouvelables comprend la production d'hydrogène à partir de l'eau, par électrolyse, pyrolyse (thermolyse) et photolyse (décomposition photoélectrochimique).

Source : Crédits d’impôt pour l’investissement dans le stockage de l’hydrogène (Ressources pour l’avenir, 2020)

Selon la voie de production d’hydrogène, l’hydrogène est classé en groupes selon ses caractéristiques. Il n’existe pas encore de consensus sur cette catégorisation. Cependant, certaines classifications sont largement diffusées par des institutions telles que l’AIE, l’EPE, le Conseil de l’hydrogène, etc., et peuvent être résumées comme suit :

Source : Adapté de Bases para a Consolidação da Estratégia Brasileira do Hidrogênio (EPE, 2021)

Hydrogène brun/noir

Produit à partir de la gazéification du charbon minéral (lignite/houille – hydrogène brun, anthracite – hydrogène noir) sans capture, utilisation ni séquestration du dioxyde de carbone issu du processus.

Le lignite contient dans sa composition beaucoup de matières volatiles, ce qui facilite sa conversion en gaz et en produits pétroliers que certains charbons de meilleure qualité. Cependant, son humidité élevée et sa susceptibilité à la combustion spontanée posent des problèmes de transport et de stockage, ce qui complique son utilisation. Les entreprises qui exploitent cette biomasse sont donc généralement situées à proximité des zones d'extraction de ce matériau. Le point important est qu'en raison de la forte humidité et du faible pouvoir calorifique du lignite, les émissions de dioxyde de carbone sont généralement beaucoup plus élevées par mégawatt (énergie potentielle) produite par rapport au charbon noir et aux charbons « supérieurs ».

L'anthracite est créée par métamorphisme et est associée aux roches métamorphiques, de la même manière que le charbon bitumineux (tourbe compactée) est associé aux roches sédimentaires. L'anthracite libère une énergie élevée par kilogramme et brûle proprement avec peu de suie, également utilisée comme milieu filtrant, ce qui en fait une variété de charbon plus recherchée et donc de plus grande valeur. Le charbon fossile s'est formé à partir des restes enfouis de plantes tropicales et subtropicales, notamment au Carbonifère et au Permien.

Le processus de gazéification se produit lorsque des sources de carbone, dans le cas du charbon, sont exposées à l'air, ou à l'oxygène pur, et à la vapeur d'eau dans un récipient sous pression à des températures et pressions très élevées (plus de 1 800 °C). Ces pressions et températures élevées provoquent plusieurs réactions, générant un mélange de gaz appelé gaz de synthèse, généralement plus riche en monoxyde de carbone (CO) et en hydrogène (H2), ainsi qu'en cendres et scories dans les procédés utilisant des sources minérales. Il est possible d'appliquer un procédé de reformage à la vapeur, tel que celui décrit ci-dessous pour l'hydrogène gris, pour convertir le CO, très nocif, en CO2.

Hydrogène gris

Cet hydrogène en question est produit par reformage de gaz naturel ou de charbon sans CCUS (captage, utilisation et séquestration du carbone). Cette forme de production libère de grandes quantités de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, contribuant au réchauffement climatique.

Le reformage du gaz naturel, composé principalement de méthane (CH4), commence par l'entrée du gaz dans un réacteur où il est préfiltré pour éliminer le feu. Ensuite, grâce à une découverte, le méthane réagit avec la vapeur d'eau à haute température dans un réacteur, formant de l'hydrogène (H2) et du monoxyde de carbone (CO). Ensuite, pour améliorer la production d'hydrogène, une autre découverte est ajoutée : le monoxyde de carbone réagit avec la vapeur d'eau pour former du dioxyde de carbone (CO2), rendant ainsi l'étape finale de séparation plus efficace, où les gaz mélangés sont séparés et l'hydrogène pur est stocké. Actuellement, c'est la forme de production d'hydrogène la plus courante au monde, mais il n'y a pas de captage des gaz à effet de serre produits au cours du processus, bien que certains de ces gaz soient réutilisés pour le processus de chauffage. Il est connu sous le nom de « gaz décarboné » ou « gaz à faible teneur en carbone » et est considéré par certains comme une source d'énergie propre. Cette considération est controversée, car les technologies de capture et de stockage du carbone ne sont pas toujours exemptes de problèmes environnementaux. Cette protection spécifique est produite à partir de combustibles fossiles et de gaz naturel (généralement par reformage), mais dans ce cas, la méthode CCUS (capture, utilisation et séquestration du carbone) est également utilisée. Le procédé CCUS consiste à stocker le carbone dans des liquides dotés de connexions spécifiques qui, après chauffage, libèrent le gaz ; ou il y a simplement une capture directe du dioxyde de carbone (CO2). Dans les deux cas, le CO2 est transporté par pipelines vers des poches de stockage enterrées (« enterrées ») ou stocké pour le transport. Certaines industries utilisent ce gaz, comme l'industrie des engrais, l'industrie chimique et l'industrie du méthanol carburant.

Hydrogène rose

L'hydrogène rose est produit par électrolyse de l'eau à l'aide de l'énergie nucléaire. L'électrolyse de l'eau est l'optimisation chimique de l'eau (H2O) générant les produits oxygène (O2) et hydrogène (H2), par l'application d'un courant électrique (énergie) à l'eau. Dans ce cas précis, le courant électrique provient de l'énergie des réacteurs nucléaires.

Les réacteurs nucléaires sont des réacteurs thermoélectriques, c'est-à-dire des unités qui produisent de l'énergie en chauffant l'eau, mais qui utilisent la haute énergie résultant des réactions qui atteignent nos noyaux atomiques comme source d'énergie pour ce chauffage. Il existe deux façons de produire de l'énergie nucléaire : la fission nucléaire ou la fusion nucléaire. Aujourd'hui, seule la fission nucléaire est commercialement applicable, généralement à partir d'atomes d'uranium radioactifs. Des recherches sont menées pour rendre la fusion nucléaire commercialement viable et, en 2022, pour la première fois dans l'histoire, un bilan énergétique positif a été atteint dans ce processus. Ce type d'énergie peut avoir plusieurs applications, principalement dans la production d'énergie électrique.

L'uranium, quant à lui, est une ressource limitée, bien qu'il existe d'importantes réserves de ce matériau, ce qui signifie que l'hydrogène issu de cette source d'énergie n'est pas renouvelable. Malgré l'avantage de ne pas produire de gaz polluants dans l'atmosphère, les risques restent importants, tant du fait des déchets radioactifs générés par le processus de fission, nocifs pour la nature, que du danger qu'implique une centrale de ce secteur (par exemple, le risque de fuites). Si, à l'avenir, la fusion nucléaire devient viable, ces problèmes disparaîtront.

Hydrogène Turquoise

Produit par pyrolyse du méthane issu du gaz naturel, il est lui-même utilisé comme source d'énergie pour le processus thermique. Son résidu est du carbone solide (charbon), et est donc considéré comme une production sans émissions.

L'hydrogène Turquoise est produit lorsque du méthane (CH4) pénètre dans un réacteur chauffé à plus de 1 000 °C (Celsius), qui fonctionne grâce à des énergies renouvelables. Plus loin, à l'intérieur du réacteur, le méthane subit une pyrolyse (division de la chaleur), produisant du carbone solide, ou charbon, (C) et de l'hydrogène (H2). Lors de la dernière étape, l'hydrogène gazeux est collecté en haut du réacteur et le second produit (le charbon) sort par le bas sous forme solide, ce qui simplifie son stockage. Certains experts appellent cet hydrogène « hydrogène bas carbone ».

Hydrogène jaune

Produit par électrolyse de l'eau, l'énergie nécessaire au processus provenant de n'importe quelle source disponible.

Comme l'hydrogène rose, l'hydrogène jaune est également produit par électrolyse de l'eau à l'aide d'énergie électrique. La différence de couleur de l'hydrogène réside dans la source d'énergie utilisée lors de l'électrolyse, ou en réalité « les sources d'énergie ». Après tout, cet hydrogène est produit à partir d'un mélange d'énergies renouvelables et fossiles, et il est impossible de retracer l'origine de l'énergie utilisée. Cette énergie provient des réseaux du Système national interconnecté (SNI), alimentés par différents types de sources d'énergie. Par conséquent, ce type d'hydrogène n'est pas considéré comme propre et renouvelable.

Hydrogène blanc

Ce type d'hydrogène se trouve sous sa forme naturelle, sous forme de gaz libre, soit dans les couches de la croûte continentale (poches de gaz), au fond de la croûte océanique, dans les gaz volcaniques, dans les geysers ou dans les systèmes hydrothermaux. L'hydrogène naturel/blanc est présent dans une grande variété de formations rocheuses et de régions géologiques. Il provient de diverses sources naturelles telles que l'origine diagénétique (oxydation du fer) dans les bassins sédimentaires, la radiolyse (électrolyse naturelle) ou l'activité bactérienne, ainsi que de sources hyperalcalines contenant des émissions de dihydrogène (2H2), entre autres formes. Cependant, il n'existe actuellement pas beaucoup de stratégies et de plans pour explorer ce type d'hydrogène, car les autres « noyaux » sont beaucoup plus avantageux et pratiques à acquérir et à utiliser.

Mousse d'hydrogène

Le processus de gazéification, dans le cas de la biomasse, se déroule en 4 étapes : la première est sèche, dans laquelle la biomasse perd l'eau retenue ; dans la deuxième étape, la pyrolyse est utilisée pour démarrer l'installation de la biomasse et la préparer pour l'étape suivante ; dans la troisième étape, la combustion de ce produit se produit ; et dans la quatrième étape, la réduction du matériau se produit où le carbone et les hydrocarbures des combustibles utilisés réagissent partiellement avec l'oxygène et génèrent du monoxyde de carbone (CO), qui est très nocif, et de l'hydrogène gazeux (H2). Ce processus se produit à des températures très élevées, à partir de 900 °C.

Ce mélange de gaz, produit lors de la quatrième étape, peut ensuite être converti en rien de plus que de l'hydrogène et du dioxyde de carbone (CO2), par ajout de vapeur et réaction sur un réacteur à placement de gaz à l'eau, facilitant l'utilisation de la technologie CCUS, si elle est incluse dans le processus.

Hydrogène vert

Également produit par électrolyse de l'eau à l'aide d'énergie électrique, ainsi que rose et jaune. Dans ce cas, l'électricité utilisée dans le processus doit nécessairement provenir de sources renouvelables qui n'émettent pas de GES, principalement l'hydraulique, l'éolien et le solaire. Il s'agit d'une alternative plus propre à la production d'hydrogène, car elle ne produit pas d'émissions de gaz à effet de serre (GES), et a donc reçu un fort soutien des gouvernements et des entreprises du monde entier. Navires.

Il reste encore un long chemin à parcourir, car l'hydrogène vert ne représente actuellement qu'un faible pourcentage du marché mondial de l'hydrogène et n'est pas encore économiquement viable. Cependant, à titre d’exemple de ce qui s’est passé avec l’introduction de sources d’énergie renouvelables dans les matrices énergétiques, la tendance est à la baisse du coût de production de l’hydrogène vert à mesure qu’il réalise des économies d’échelle et devient un processus plus sûr et plus mature d’un point de vue technologique et financier.