I Les principes de la production d'énergie grace à l'Hydrogène

La production de l’Hydrogène

            L’hydrogène ne se trouve pas à l’état pur dans la nature ( la terre n’exerce pas une force gravitationnelle suffisamment importante). Il est donc nécessaire de le transformer une molécule simple de dihydrogène car celui-ci est le combustible idéal pour produire de l’énergie à partir de piles à combustibles.

            Pour produire celui-ci, différentes possibilités sont étudiées certaines sont déjà arrivées à maturité technologique et d'autres sont encore au stade du développement :

·        à partir de carburants fossiles par vaporeformage, oxydation partielle ou reformage autotherme. Le carburant privilégié serait le gaz naturel mais d'autres hydrocarbures sont aussi utilisés,

·        à partir du nucléaire, notamment des réacteurs de 4ème génération sensés être prêts en 2030 - 2040,

·        à partir de l'électrolyse de l'eau. Pour cela, l'électricité utilisée pourrait venir des énergies renouvelables,

·        à partir de biomasse,

·        à partir d'algues vertes ou de bactéries.

 

Les carburants fossiles : une alternative provisoire

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 la création de petites quantités, tant que les carburants fossiles existent encore. Si la réussite de ce procédé est de 85-90%, cette technique génère du CO2.
On distingue quatre procédés: le vaporeformage, l'oxydation partielle , reformage autotherme et la gazéification du charbon.

            Le vaporeformage du gaz naturel

Le vaporeformage est de nos jours bien connu des scientifiques : c’est le procédé le plus courant de création d’hydrogène. Il consiste à mélanger du carburant ( sous forme gazeuse ) et de l’eau afin de produire du dihydrogène. Le carburant le plus utilisé pour le vaporeformage est le gaz naturel ( bien que le méthanol soit lui aussi utilisé pour produire de petites quantités de dihydrogène )  Le gaz naturel est composé en majeure partie de méthane ( CH4 ), mais contient aussi du dioxyde de carbone ( CO2 ) et du soufre ( S ). Ce dernier doit être d’abord éliminé à l’aide de 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 monoxyde de carbone et de l'hydrogène ( CH4 + H2O à CO + 3 H2 ), la seconde est la réaction de Water Gas Shift entre l'eau et le monoxyde de carbone: CO + H2O à CO2 + H2.

Les réactions du vaporeformage ont lieu vers 800-900°C pour une pression de 25 bar, on obtient alors un gaz riche en CO ( première réaction ) et en H2 contenant aussi du CO2 ( seconde réaction ).
Il faut d'abord éliminer le CO, pour cela on peut utiliser les réactions de High Temperature et de Low Temperature Shift vers 400 et 200°C. On a alors un gaz avec essentiellement H2, CO2, H2O.

  Cette étape est suivie d’une ultime purification du gaz. La Pressure Swing Adsorption (PSA) permet d’obtenir de l’hydrogène pur à 99,9999%. On peut aussi purifier avec des procédés cryogéniques ( absorption de chaleur ), soit par refroidissement dans des échangeurs et condensation de CO ce qui permet d’obtenir H2 avec 2 à 5 % de CO, soit par méthanisation. Dans ce dernier cas, on élimine d’abord une grande partie du CO2 en le faisant réagir avec une solution d’hydroxyde de Sodium (NaOH) : le CO2 se dissout alors sous forme d’ions carbonates. Le CO et le CO2 restant réagissent ensuite avec H2 en formant du méthane.

            Voici un petit schéma pour simplifier les choses :

Principe du Vaporeformage

             L’oxydation partielle

L'oxydation partielle est également un procédé arrivé à maturité, il s'agit de la réaction entre un carburant (gaz naturel, hydrocarbures légers, voire le charbon) avec l'oxygène, suivi d'une purification du gaz en raison du monoxyde de carbone CO. Comme pour le vaporeformage, le carburant doit aussi être purifié: il doit d'abord être débarrassé du soufre, puis du CO2 et du CO.

Le reformage autoterne

Ce procédé est une combinaison des deux procédés précédents: le carburant est mélangé avec de l'air et de l'eau.On obtient un réacteur "autotherme", qui n'a donc pas besoin d'apport de chaleur. Au démarrage cependant, il est nécessaire de fournir de la chaleur: le réacteur est donc alimenté en carburant et en air (oxydation partielle), puis lorsque la température a atteint un niveau suffisamment élevé, le reformeur passe en fonctionnement autotherme (mélange eau, carburant et air).

          La gazeification 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 Nucléaire de 4ème génération, réalisable dans le futur

 Le nucléaire pourrait aussi permettre la production d'hydrogène. Depuis 2 ans, des réacteurs dits de 4ème génération sont 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). Ce haut niveau de température permet de décomposer l'eau en hydrogène et en oxygène par une réaction catalysée. Le Japon et les USA s'intéressent au système refroidi au sodium. Néanmoins, cette technologie ne serait commercialement disponible que vers 2030-2040...

L’ Electrolyse : un projet actuel

On parle souvent de l'électrolyse liée à l'utilisation des énergies renouvelables. Cela serait intéressant si la production d’électricité par ce moyen était en accord avec l’utilisation de celle-ci ( il y a beaucoup d’électricité produite l’été alors que le besoin est plus important l’hiver ). L'autre possibilité est d'utiliser l'électricité produite par des centrales nucléaires (notamment pendant les heures creuses), actuellement 4% de l’Hydrogène produit. L'hydrogène permettrait de stocker l'électricité sous forme chimique et de réutiliser plus tard l'hydrogène. L'efficacité de l'électrolyse approche 65%, quoiqu'en théorie on puisse atteindre 80 ou 85% mais son coût est bien supérieur à celui du reformage en raison du coût de l'électricité. Pour que le procédé soit rentable, il faut une électricité à faible coût. Mais l'intérêt est la production sur place supprimant tout problème de transport.

Biomasse et Algues vertes : une réalité dans le futur


            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,
- pyrolyse 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 dont la mise au point pourrait mettre encore 5 à 8 ans.

            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.