Comment fabriquer l’hydrogène ?
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L’ est l'élément chimique le plus abondant dans l'univers. On le trouve dans la composition du Soleil, des étoiles, des planètes gazeuses. Sur notre planète, on a noté quelques émanations d’hydrogène naturel, mais non exploitables en quantités significatives et à des coûts compétitifs. Pour l’utiliser, il faut donc l’isoler.
© Labelle Michel / TOTAL - Unité de production d'hydrogène par vaporeformage à la raffinerie de Jubail, en Arabie saoudite.
Sur Terre, l'hydrogène est associé dans la nature à beaucoup d'autres éléments : surtout à du carbone pour former le méthane (CH4) et à de l’oxygène pour constituer l’eau (H2O). Pour obtenir de l'hydrogène pur pour les besoins industriels, il convient donc de le séparer des éléments chimiques auxquels il est lié.
Les sources de fabrication
Aujourd'hui, 95 % de l'hydrogène est fabriqué à partir de sources d'énergies fossiles (gaz naturel, pétrole) et de bois. Il existe actuellement trois types de procédés de production :
- Le procédé le plus courant de fabrication de l'hydrogène est le reformage (conversion de molécules à l'aide de réactions chimiques) du gaz naturel par de la vapeur d'eau surchauffée. On parle alors de vaporeformage. En présence de cette vapeur d'eau et de , les atomes carbonés (C) du méthane (CH4) se dissocient. Après deux réactions successives, ils se reforment séparément pour obtenir, d'un côté, du dihydrogène (H2) et, de l'autre, du (CO2). Cette opération nécessite donc le recours au gaz naturel.
- Un autre procédé est la gazéification du 1, composé principalement de carbone et d'eau. Brûlé dans un réacteur à très haute température (entre 1 200 et 1 500 °C), le bois libère des gaz qui vont alors se séparer et se reformer pour obtenir, d'un côté, du dihydrogène (H2) et, de l'autre, du (CO).
- L’hydrogène peut aussi être fabriqué à partir de l’ , par l'électrolyse de l'eau. Elle consiste, à l'aide d'un courant électrique, à décomposer l'eau (H2O), en dioxygène (O2), d'un côté, et en dihydrogène (H2) de l'autre. Cette méthode est très loin d’avoir la compétitivité économique de la production à partir des sources fossiles. L’hydrogène produit aujourd’hui par vaporeformage du méthane coûte environ 1,5 €/kg d’H2 à la sortie de l’usine (hors coût de distribution), un prix de revient qui est d’ailleurs le triple de celui du gaz naturel. L’hydrogène issue de l’électrolyse revient aujourd’hui à un coût environ 4 fois supérieur, sans compter l’impact du prix de l’électricité.
La technique par électrolyse ne représente aujourd’hui en France que 1 % de l’hydrogène produit. Mais le développement des nouveaux usages de l’hydrogène-énergie, qui nécessitent un hydrogène plus pur, ouvre de vastes perspectives à cette technique. Des recherches sont menées pour diminuer le coût de production, notamment en recourant à une électrolyse à haute température (EHT), entre 700 et 800 °C.
Produire un hydrogène « propre »
Pour que le nouveau vecteur énergétique que pourrait constituer l’hydrogène se range du côté des « énergies vertes », c’est-à-dire faiblement émettrices de gaz à , il est essentiel que sa production soit la plus « propre » possible.
Le reformage peut certes être faiblement émetteur de gaz à effet de serre si on le couple à des procédés de capture et de stockage du CO2. Le coût s’en trouve bien sûr fortement augmenté.
La gazéification est un autre moyen car elle concerne toute la filière solide, c'est-à-dire les nombreuses matières organiques qui peuvent être brûlées pour dégager du . Si le bois (via le charbon de bois) est le principal concerné, des déchets végétaux, comme la paille, peuvent donner satisfaction. En reconstituant la biomasse au fur et à mesure, on obtient un bilan faible en termes d'émissions de CO2.
Quant à l’électrolyse, elle conduit aussi à un hydrogène propre si l’on utilise de l’électricité « verte ». Mais pour surmonter la question de la compétitivité, il faut pouvoir disposer de grandes quantités d’électricité, tout au long de l’année, à des prix très bas. Des prototypes sont à l’étude, notamment en Allemagne, pour utiliser les pics de production intermittents de l’éolien et du solaire. Mais la question du coût de cette production électrolytique reste pour l’instant un obstacle.
D'autres procédés de production d’hydrogène sont également à l'étude :
- certains microbes modifiés peuvent produire de l'hydrogène sous l'effet de la lumière du Soleil (microbes photosynthétiques) ;
- immergée dans l'eau, une cellule photoélectrochimique (composant électronique qui décompose l'eau sous l'effet de la lumière solaire) peut produire des bulles d'hydrogène et d'oxygène. On parle alors de photoélectrolyse ;
- la décomposition thermochimique de l'eau : portée à haute température (800 / 1 000°C), la molécule de l'eau se décompose et libère de l'hydrogène. L'inconvénient de cette méthode exige le recours à l’ pour chauffer l'eau : les investissements sont lourds et la production dépend des stocks d’ .
Sources :
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