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RÉSUMÉ
L’hydrogène, devenu un vecteur énergétique à part entière, est appelé en tant que combustible à jouer un rôle capital dans la transition en cours entre énergies fossiles et renouvelables. Cet article fait le point sur sa production passée et future. L’hydrogène peut être obtenu en dissociant l’eau par électrolyse et cet hydrogène est vert si la source d'énergie est renouvelable ; il en devient alors un auxiliaire d’autant plus précieux qu’il en permet le stockage. D'autres voies de production existent à partir d'hydrocarbures, d'alcools ou de biomasse ; ce sont le reformage, l'oxydation partielle et la gazéification. Le CO2 émis par ces méthodes peut être capté et stocké.
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Hydrogen has become a full-fledged energy carrier which is expected to play a key role as a fuel in the ongoing transition from fossil fuels to renewable energy. This article reviews its past and future production. Hydrogen can be obtained by water electrolysis. When the source of energy is renewable, this hydrogen becomes 'green' and all the more valuable in terms of energy storage. Other production routes exist from hydrocarbons, alcohols or biomass; these are reforming, partial oxidation and gasification. The CO2 emitted by these methods can be captured and stored.
Auteur(s)
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Farida LAMARI : Docteure en génie des procédés de l’université Paris XIII - Chargée de recherche au CNRS Université Sorbonne Paris Nord, LSPM – CNRS UPR 3407
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Patrick LANGLOIS : Ingénieur ENSAM et docteur en métallurgie de l’université Pierre-et-Marie-Curie (Paris VI) - Chargé de recherche au CNRS Université Sorbonne Paris Nord, LSPM – CNRS UPR 3407
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Pierre MALBRUNOT : Conseiller scientifique auprès de l’association France Hydrogène
INTRODUCTION
Au XIXe siècle, l’avènement de la machine à vapeur a permis un remarquable développement des transports et de l’industrie. Cette vapeur capable de fournir directement de l’énergie mécanique mais qui n’existe pas comme telle dans la nature – il faut la produire en chauffant de l’eau – était le premier vecteur énergétique. Puis, à la fin de ce même siècle, tout s’est encore accéléré lorsque sont apparus le moteur à combustion interne (dit à explosion) et l’électricité. Le premier permettait d’obtenir de l’énergie mécanique à partir de la combustion de carburants liquides issus du pétrole présent dans la nature. La seconde, due aux propriétés des constituants de la matière, était un nouveau vecteur énergétique aux possibilités quasi infinies et dont nous connaissons de nos jours, par l’électronique, le numérique et leurs applications, les prolongements les plus évolués et les plus prometteurs. C’est ainsi qu’au XXe siècle, il ne fut d’activité humaine qui n’ait été bouleversée par les retombées de ces deux révolutions techniques. Le monde est alors entré dans « l’ère industrielle » assortie de la « civilisation de l’automobile », l’une et l’autre à l’origine de profondes transformations économiques et sociales. Mais pour alimenter l’extraordinaire développement qui s’en est suivi, il a fallu – et il faut toujours – de plus en plus d’énergie, c’est pourquoi les ressources de notre planète ont été exploitées sans limite : houille, pétrole, gaz naturel, hydraulique et énergie provenant de la fission de combustibles nucléaires. Aujourd’hui, nous en mesurons les conséquences, elles sont à la hauteur de cette démesure : risque d’épuisement des ressources fossiles, accumulation de déchets nucléaires, pollution atmosphérique menaçant la santé publique et effet de serre additionnel contribuant au réchauffement de la planète. Et pourtant, cette évolution dévoreuse d’énergie se poursuit et nourrit une croissance permanente qui va de pair avec l’émergence des pays en voie de développement et l’augmentation de la population mondiale. Par rapport à 1970, les besoins en énergie ont doublé en 2022 et pourraient tripler d’ici la fin du XXIe siècle. Pour résoudre une telle contradiction entre le besoin croissant d’énergie, l’épuisement des combustibles fossiles, l’effet de serre additionnel et la pollution, plusieurs solutions concomitantes sont possibles :
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réduire les consommations d’énergie par des actions « d’utilisation rationnelle » ;
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diminuer les émissions de gaz à effet de serre et la pollution en utilisant des carburants appropriés ;
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poursuivre l’utilisation de l’énergie nucléaire en attendant l’aboutissement de la fusion qui, au vu des avancées actuelles, semble en voie d’être maîtrisée ;
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faire appel à des énergies dites renouvelables : éolien, solaire, hydraulique, biomasse, géothermie ;
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utiliser l’hydrogène, un vecteur énergétique propre et stockable.
L’hydrogène est en effet un gaz très énergétique et non toxique qui produit de la chaleur par combustion directe avec comme résidu de l’eau s’il brûle en présence d’oxygène pur mais à laquelle s’ajoutent des oxydes d’azote s’il brûle dans l’air. Dans les piles à combustible, il génère à la fois de l’électricité et de la chaleur avec de l’eau comme seul résidu. Mais l’hydrogène dans la nature se trouve surtout à l’état combiné, dans l’eau et les hydrocarbures principalement. Pour en disposer, il faut le produire ; c’est en cela que, comme la vapeur et l’électricité, il est un vecteur énergétique.
Dans cet article, nous n’abordons l’hydrogène que du point de vue de sa valeur énergétique en laissant de côté ce qui est lié à ses propriétés chimiques grâce auxquelles il joue déjà un rôle important dans l’industrie pétrolière, l’industrie chimique et agrochimique ainsi que dans certaines technologies dont, depuis peu, la sidérurgie. Dans le présent article, nous traitons de sa production. Produire l’hydrogène, c’est l’extraire de ses composés (eau, hydrocarbures, biomasse) par une opération chimique ou physico-chimique qui nécessite une certaine dépense d’énergie : c’est là un des problèmes du recours à l’hydrogène. Mais surtout, la quasi-totalité des procédés de production d’hydrogène émettent du dioxyde de carbone ; c’est pour cette raison qu’il a été convenu de distinguer l’hydrogène par différentes couleurs en fonction du mode de production dont il est issu ainsi que des émissions de CO2 liées à ce mode de production, le vert étant le plus médiatisé. Ces couleurs permettent de visualiser la catégorie dont relève chaque mode de production et aident ainsi à comprendre quel est le déploiement souhaitable de la filière hydrogène dans la perspective de la neutralité carbone à l’horizon 2050, tous les modes de production, exploités et directement ou potentiellement exploitables, étant récapitulés dans cet article.
Dans l’article [BE 8 566], nous nous intéressons à la conversion énergétique de l’hydrogène, à sa mise à disposition, aux problèmes liés à la sécurité (grandes inflammabilité et explosivité), aux possibles conséquences économiques et sociétales de son emploi généralisé et, en conclusion, nous livrons une analyse des mesures déjà prises et à prendre pour que ce vecteur énergétique s’impose.
Le lecteur trouvera un glossaire en fin d’article.
KEYWORDS
electrolysis | gasification | renewable energies | decarbonation | partial oxidation
VERSIONS
- Version archivée 1 de avr. 2006 par Farida DARKRIM-LAMARI, Pierre MALBRUNOT
- Version archivée 2 de oct. 2013 par Moussa DICKO, Farida DARKRIM-LAMARI, Pierre MALBRUNOT
DOI (Digital Object Identifier)
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4. Impact sur l’environnement
En matière d’impact sur l’environnement, les deux aspects les plus manifestes de la production croissante du combustible hydrogène concernent négativement d’une part le rejet de grandes quantités de CO2, en lien avec les procédés existants de production d’hydrogène, auquel il convient de remédier, et, positivement d’autre part, les opportunités qu’offrent de nombreux procédés nouveaux en faveur d’une transition accélérée entre énergies fossiles et renouvelables.
4.1 Captage et séquestration du CO2 émis lors de la production d’hydrogène
Chaque fois qu’est produit de l’hydrogène à partir de combustibles fossiles (§ 1.1) dont, le plus souvent, du gaz naturel, il y a d’importants rejets de CO2 qui amènent à proscrire à terme les procédés tels que le reformage au profit d’une production d’hydrogène essentiellement vert par électrolyse de l’eau. À titre transitoire, le captage du CO2 fatal et sa séquestration sont prévus afin d’en éviter le rejet, de la même façon que lors des extractions d’hydrocarbures ou des combustions des centrales thermiques, du chauffage industriel et des cimenteries.
Les diverses facettes de cette approche sont décrites ci-dessous ...
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Impact sur l’environnement
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Stratégie nationale pour le développement de l'hydrogène décarboné en France - . Ministère de la Transition écologique. Dossier de presse (2020).
-
(2) - BOURBONNEUX (G.) - Production d’hydrogène - . In : LEPRINCE (P.) Éd., Le raffinage du pétrole : Procédés de transformation. Technip, p. 463-517, ISBN 978-2-710807308 (1998).
-
(3) - FRANC (P.-É.), MATEO (P.) - Hydrogène : la transition énergétique en marche ! - Manifestô – Alternatives, ISBN 978-2072620188 (2015).
-
(4) - LEPERCQ (Th.) - Hydrogène, le nouveau pétrole - . Cherche Midi, ISBN 978-2749158877 (2019).
-
(5) - GADRAT (P.), KAYSER (D.) - L’hydrogène, imaginons l’an 2050 - . Livre blanc Alcimed (2020).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Produire localement de l’hydrogène décarboné (production sans fossile)
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Une membrane hybride pour la purification de l’hydrogène
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Une nouvelle technologie de pyrolyse plasma du méthane pour produire de l’hydrogène
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Haffner Energy : « Notre solution va permettre d’accélérer très fortement le cours de l’Histoire »
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Infographie : les couleurs de l’hydrogène
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Aaqius (CH) – Technologies hydrogène http://www.aaqius.com/
Air Liquide (FR) – Production d’hydrogène par vaporeformage, oxydation partielle et électrolyse https://www.airliquide.com/fr/hydrogene
Air Products (US) – Production d’hydrogène par vaporeformage, oxydation partielle, gazéification et thermolyse https://www.airproducts.fr/
Alsymex Paris (FR) – Réacteurs de méthanation https://www.alsymex-alcen.com/
CNR (FR) – Énergéticien 100 % renouvelable https://www.cnr.tm.fr/
Elogen (FR) – Production d’hydrogène par électrolyse PEM https://elogenh2.com/fr/
ENGIE (FR) – Production d’hydrogène d’origine renouvelable par électrolyse https://www.engie.fr/hydrogene/
Genvia (FR) – Électrolyseurs haute température https://genvia.com/
Haffner Energy (FR) – Développement et maîtrise d’œuvre de solutions énergétiques renouvelables clés-en-main https://www.haffner-energy.com/
Hydroma...
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