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Article

1 - HYDROGÈNE DANS L'UNIVERS ET SUR TERRE

2 - USAGES ET PRODUCTIONS ACTUELLES DE L'HYDROGÈNE

3 - APERÇU SUR LES PROCÉDÉS DE PRODUCTION DE BIOÉTHANOL

4 - VAPOREFORMAGE D'ÉTHANOL PUR

5 - VAPOREFORMAGE DE BIOÉTHANOL BRUT

6 - DÉVELOPPEMENT INDUSTRIEL DU VAPOREFORMAGE DE BIOÉTHANOL

7 - ANALYSES DU CYCLE DE VIE. NEUTRALITÉ EN CO2

8 - CONCLUSIONS

Article de référence | Réf : J6369 v1

Usages et productions actuelles de l'hydrogène
Production d'hydrogène par reformage du bioéthanol

Auteur(s) : Daniel DUPREZ, Nicolas BION, Florence EPRON

Relu et validé le 01 avr. 2022

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RÉSUMÉ

L'éthanol est produit en quasi-totalité par fermentation alcoolique de diverses sources végétales. Le vaporeformage du bioéthanol est une solution alternative pour la production de l'hydrogène. Le dioxyde de carbone, coproduit dans la réaction est, au moins en partie, recyclé dans les plantes par photosynthèse. Le procédé est catalytique et doit s'opérer à haute température (500-800 °C) en raison de l'endothermicité de la réaction. Cet article fait le point sur les développements récents en termes de procédé et de catalyseurs. Le cas du vaporeformage d'éthanol pur est examiné avant d'exposer les applications sur bioéthanol brut dont les impuretés ont un effet fortement désactivant. L'analyse du cycle de vie est également effectuée.

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ABSTRACT

Hydrogen production by reforming of bioethanol

Ethanol is quasi exclusively produced by fermentation of biomass. Éthanol steam reforming is an alternative solution for the production fo hydrogen. The carbon dioxide coproduced in the reaction is partially recycled in plants by photosynthesis. The process is catalytic and should be performed at high temperatures (500-800°C) due to the endothermicity. The recent developments in terms of process and catalysts are reviewed. Steamreforming of pure ethanol is examined first before reviewing applications with raw bioethanol whose impurities may lead to a severe catalyst fouling. Life cycle analysis is also examined.

Auteur(s)

  • Daniel DUPREZ : Ingénieur ENSIC - Directeur de recherche CNRS - Université de Poitiers, CNRS UMR 7285 - Institut de Chimie des milieux et des matériaux de Poitiers (IC2MP)

  • Nicolas BION : Chargé de recherche CNRS - Université de Poitiers, CNRS UMR 7285, Institut de Chimie des milieux et des matériaux de Poitiers (IC2MP)

  • Florence EPRON : Chargée de recherche CNRS - Université de Poitiers, CNRS UMR 7285 - Institut de chimie des milieux et des matériaux de Poitiers (IC2MP)

INTRODUCTION

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers, mais sur Terre, son abondance est modeste. De plus, sauf exception, il n'existe pas à l'état natif. Il est présent essentiellement dans l'eau, les hydrocarbures fossiles et la biomasse, en association avec l'oxygène et/ou le carbone. Il est très utilisé dans l'industrie et le raffinage, les besoins étant de l'ordre de 50 à 60 MT/an. En revanche, son utilisation en tant que source d'énergie reste marginale. Actuellement, il est préparé industriellement par reformage à la vapeur d'hydrocarbures fossiles (gaz naturel, naphta) ou, dans une moindre mesure, par électrolyse de l'eau. D'autres procédés alternatifs sont également possibles. Le problème principal du vaporeformage est qu'il produit des quantités considérables de CO2  . En réalité, la réaction permet d'extraire l'hydrogène de l'hydrocarbure et de l'eau, mais une partie importante du carbone est transformé en dioxyde de carbone. Pour s'en affranchir, une solution a été de remplacer la source fossile par une molécule issue de la biomasse et donc globalement « neutre » en CO2  , le dioxyde de carbone produit pendant le vaporeformage étant recyclé par les plantes lors de la photosynthèse. Beaucoup d'efforts ont porté sur l'utilisation du bioéthanol pour la préparation de l'hydrogène. L'objectif de cet article est de faire le point sur l'utilisation de l'éthanol dans la fabrication de l'hydrogène par vaporeformage. Le procédé est catalytique. La réaction étant endothermique, elle est effectuée à haute température, ce qui nécessite de mettre au point des catalyseurs particulièrement résistants. Le rhodium est un métal de choix mais ses performances dépendent considérablement du support utilisé. Une partie de cet article est consacrée au procédé utilisant de l'éthanol raffiné de grande pureté. Néanmoins, l'utilisation de bioéthanol brut est économiquement plus rentable. Les catalyseurs stables dans l'éthanol « pur » ne le sont plus quand on passe au bioéthanol. Il a donc fallu mettre au point des catalyseurs résistants aux impuretés du bioéthanol. Le système RhNi déposé sur une alumine dopée à l'yttrium s'est révélé très efficace. Les applications industrielles du vaporeformage de l'éthanol sont encore peu nombreuses et posent le problème de la neutralité en CO2  . De nombreux facteurs peuvent modifier le bilan en CO2 et il est indispensable de considérer les cycles de vie du procédé dans sa globalité à partir de la culture des plantes produisant le bioéthanol. En dépit de bilans très controversés, il semble que la production de l'hydrogène par reformage du bioéthanol reste très avantageuse sur le plan du bilan en CO2 si on s'adresse à du bioéthanol de 2e génération.

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KEYWORDS

steam reforming   |   catalytic systems

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j6369


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2. Usages et productions actuelles de l'hydrogène

2.1 Utilisation de l'hydrogène dans le secteur industriel

D'après l'AFHYPAC (Association Française de l'Hydrogène et des Piles à Combustible), la production mondiale d'hydrogène était de 56,7 MT en 2008, soit 630 GNm3 . L'hydrogène est essentiellement utilisé pour des besoins chimiques, pétrochimique et de raffinage. Son utilisation comme source d'énergie primaire est négligeable. En revanche, il intervient beaucoup dans le raffinage du pétrole et, à ce titre, permet d'améliorer substantiellement la qualité des carburants. Le tableau 3 donne un aperçu de l'utilisation de l'hydrogène en Europe et dans le Monde.

Le secteur du raffinage est actuellement le plus gros consommateur d'hydrogène. Le pétrole brut étant de plus en plus lourd, son rapport H/C est de plus en plus faible. Pour obtenir des carburants essence ou Diesel de bonne qualité, il est nécessaire d'augmenter le rapport H/C moyen des produits pétroliers donc de fournir de l'hydrogène. L'hydrogène sert aussi, en grande quantité, à éliminer les impuretés des carburants, au moyen de réactions d'hydrotraitement. Les bruts pétroliers contiennent en particulier des quantités significatives de soufre (de plusieurs centaines de ppm à plusieurs % selon leur origine). Les normes environnementales étant de plus en plus draconiennes, il est nécessaire d'abaisser la teneur en soufre à moins de 10 ppm. Le soufre présent sous forme d'hydrocarbures soufrés est éliminé par réaction avec l'hydrogène pour donner de l'hydrogène sulfuré. La réaction s'écrit :

( 3 )

La consommation est d'au moins 1 molécule d'hydrogène par atome de soufre éliminé. Pour un pétrole brut à 1 % de S, cela représente une consommation minimum de 0,62 MT d'hydrogène par GT...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BION (N.), EPRON (F.), DUPREZ (D.) -   Bioethanol reforming for H2 production. A comparison with hydrocarbon reforming.  -  Catalysis, Specialist Periodical Report, (J. J. Spivey & K. M. Dooley, Eds) RSC Publishing, vol. 22, p. 1-55 (2010).

  • (2) - BION (N.), DUPREZ (D.), EPRON (F.) -   Design of nanocatalysts for green hydrogen production from bioethanol.  -  Chem Sus Chem, vol. 5, p. 76-84 (2010).

  • (3) - Mc KENDRY (P.) -   Energyproduction from biomass. Part 1 : Overview of biomass.  -  Bioresources Technology, vol. 83, p. 37-46 (2002).

  • (4) - PARIKKA (M.) -   Global biomass fuel resources.  -  Biomass & Bioenergy, vol. 27, p. 613-620 (2004).

  • (5) - AFHYPAC -   Production et consommation d'hydrogène aujourd'hui.  -  Mémento de l'hydrogène. Fiche 1.3. Voir rubrique « Sites Internet ».

  • ...

1 Sites Internet

WIKIPEDIA – Biocarburants http://fr.wikipedia.org/wiki/Biocarburant

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2 Annuaire

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2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Archer Daniels Midlands (USA) http://www.adm.com

voir en particulier la rubrique « fuel » https://www.adm.com/

Cosan (Bresil) https://www.cosan.com.br/

Eden Energy Ltd http://www.edenenergy.com.au/

Greenfield (Canada) https://greenfield.com/fr/

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2.2 Organismes (liste non exhaustive)

ADEME – Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie http://www.ademe.fr

AFHYPAC – Association française pour l'hydrogène et les piles à combustible...

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