Comment l'hydrogène est-il produit ?

Alors que l'industrie se tourne vers des sources d'énergie durables dans le cadre de la lutte mondiale contre le changement climatique, l'hydrogène apparaît comme une alternative propre et polyvalente aux combustibles fossiles. Toutefois, exploiter pleinement le potentiel de ce combustible se heurte au développement et au déploiement de méthodes de production efficaces, rentables et respectueuses de l'environnement. 

Le prix non compétitif de l'hydrogène par unité de puissance produite par rapport aux combustibles fossiles conventionnels demeure l'un de ses inconvénients les plus importants, empêchant une mise en œuvre généralisée. En conséquence, les crédits d'impôt et autres aides gouvernementales sont très importantes et doivent contribuer dans une large mesure à l'évolution de l'économie d'hydrogène, car ils permetteront de compenser les surcoûts liés à la production et à l'utilisation de l'hydrogène. 

Il existe de nombreuses méthodes de production d'hydrogène, chacune avec ses propres caractéristiques techniques, financières et environnementales. Cette page donne un aperçu des méthodes de production courantes, ainsi que quelques méthodes expérimentales encore en cours d'élaboration. 

L'hydrogène offre une gamme convaincante d'avantages techniques en tant que vecteur d'énergie, notamment :

• Teneur élevée en énergie par unité de masse comparée aux combustibles classiques 
• Possibilité de réduire à zéro les émissions de carbone au point d'utilisation lorsqu'il est consommé dans une pile à combustible 
• Absence de dégradation énergétique lorsque le stockage est long, un avantage significatif par rapport aux batteries 
• Polyvalence dans diverses applications, y compris le transport et le stockage d'énergie

Toutefois, les défis demeurent pour une mise en place généralisée dans l'industrie, notamment en termes d'infrastructures disponibles et de coûts.

Par rapport à l'essence sans plomb, l'hydrogène est dense en énergie massique, mais pas volumique. En masse, il présente une densité énergétique d'environ trois fois celle de l'essence, ce qui le rend attrayant pour les applications où le poids est critique, comme le transport à longue portée.

Toutefois, sa faible densité volumétrique implique des considérations supplémentaires pour le stockage, souvent sous pression pour l'hydrogène gazeux, ou la liquéfaction par des techniques cryogéniques. Bien que ces méthodes augmentent la densité, elles introduisent des complexités opérationnelles et nécessitent une consommation d'énergie pour modifier et maintenir l'hydrogène dans son état contrôlé, ce qui nécessite une infrastructure spécialisée. En outre, sa nature inflammable - et sa propension à des fuites dues à ses molécules de petite taille - exige des protocoles de sécurité rigoureux tout au long de la chaîne de valeur. 

L'hydrogène gris, le type le plus couramment rencontré dans l'industrie, repose sur deux process thermochimiques : le reformage de méthane à la vapeur (SMR) et le reformage autothermique (ATR).

Le SMR et l'ATR commencent avec une matière première hydrocarbure, généralement du gaz naturel, constitué principalement de méthane (CH₄). Dans le SMR, ce méthane est préchauffé et combiné à la vapeur haute température (H₂O) en présence d'un catalyseur dans une unité de reformage. ATR introduit à la fois de la vapeur et un volume contrôlé de gaz d'oxygène (O₂) dans l'unité de reformage, ce qui provoque la combustion. Contrairement au SMR, l'ATR ne nécessite pas de chaleur externe pour le process de reformage du méthane. 

Dans des conditions de température extrême, le catalyseur facilite la dissociation des molécules d'eau et de méthane dans l'unité de reformage, brisant leurs liaisons chimiques. Ce process de craquage thermique entraîne un flux de gaz de produit contenant l'hydrogène désiré, ainsi que le monoxyde de carbone et des traces de dioxyde de carbone. Les gaz carboniques sont généralement détenus par des lits adsorbants juste en aval du reformage, tandis que l'hydrogène traverse la chambre où il peut alors être stocké et utilisé ultérieurement. 

Dans les applications où le dioxyde de carbone est libéré dans l'atmosphère, l'hydrogène produit est appelé « hydrogène gris ». Si le CO₂ a au contraire été capté, l'hydrogène devient « bleu »

ATR est plus économe en énergie que SMR parce qu'il n'a pas besoin d'une source de chaleur externe. En outre, le dosage contrôlé d'oxygène dans l'unité de reformage réduit considérablement la sortie de monoxyde de carbone, produisant un flux de dioxyde de carbone plus pur que SMR. Cela le rend idéal pour la production d'hydrogène bleu. Toutefois, ATR est plus complexe à surveiller et contrôler, en particulier en ce qui concerne la combustion, un process avec des problèmes de sécurité importants. 

La viabilité environnementale de l'hydrogène bleu repose sur l'efficacité et l'évolutivité des technologies CCS, qui demeurent des domaines de recherche et de développement continus.

L'hydrogène turquoise est produit à l'aide de la pyrolyse du méthane, où le gaz naturel est chauffé directement à des températures extrêmes - supérieures à 900 °C (1652 °F) - point auquel il se divise en gaz d'hydrogène et carbone solide. Le sous-produit carbone sous forme solide est capturé plus facilement qu'en phase gazeuse.

Lorsque la chaleur nécessaire à la pyrolyse est produite à partir de sources renouvelables, comme le soleil ou la géothermie, l'hydrogène turquoise devient plus propre. Bien que cette méthode de production soit prometteuse, elle n'en est qu'à ses débuts, nécessitant des démonstrations à grande échelle pour prouver sa viabilité et assurer le stockage définitif du carbone.

L'hydrogène vert est considéré comme la référence absolue de l'hydrogène durable, produit à partir d'énergies renouvelables - comme le soleil, le vent ou l'énergie hydroélectrique, par l'électrolyse de l'eau.

L'électrolyse est un process qui divise les molécules d'eau (H₂O) en hydrogène (H₂) et en oxygène (O₂) en utilisant l'énergie électrique. Un électrolyseur est composé de deux électrodes - une anode et une cathode - et d'un électrolyte, qui est une solution conductrice qui facilite la circulation des ions entre les électrodes. 

Lorsque l'électricité courante directe traverse le système, une réaction se produit à la cathode, qui capte les électrons. Cela attire des anions chargés négativement depuis l'électrolyte pour combler le vide laissé par les électrons attirés par la cathode. L'oxydation se produit à l'anode, libérant des électrons et provoquant des cations chargés positivement de l'électrolyte pour migrer vers elle. 

À la cathode, les atomes d'hydrogène (H +) chargés positivement gagnent des électrons et forment du gaz d'hydrogène, tandis qu'à l'anode, les molécules d'eau perdent des électrons, libérant de l'oxygène gazeux et réapprovisionnant les ions hydrogène qui se déplacent vers la cathode. 

Le résultat net est la séparation de l'eau en molécules d'hydrogène et d'oxygène. Cet hydrogène vert est stocké, tandis que l'oxygène peut être libéré dans l'atmosphère sans aucun dommage. 

Lorsqu'un excès d'énergie renouvelable est disponible, l'hydrogène vert fournit une manière durable de la récolter pour fournir le réseau plus tard au besoin. Contrairement à la puissance stockée dans les batteries, l'hydrogène stocké ne se dégrade pas au fil du temps, ce qui le rend utile en particulier pour le stockage d'énergie saisonnière ou à long terme.

Toutefois, les lois de la thermodynamique stipulent que l'énergie nécessaire à l'électrolyse pour la production d'hydrogène est supérieure à l'énergie disponible du produit. Les estimations actuelles du National Renewable Energy Laboratory indiquent que l'électrolyse est efficace à environ 70-80 %, ce qui signifie qu'une partie de l'énergie renouvelable servant à exécuter le process est disponible sous forme d'énergie potentielle dans l'hydrogène sortant.

En outre, l'infrastructure de l'électrolyseur est à ses débuts et nécessite un développement supplémentaire et des améliorations en termes d'efficacité avant de pouvoir être utilisée à grande échelle. 

Il existe quelques méthodes moins fréquemment employées pour produire de l'hydrogène, y compris les méthodes utilisant le nucléaire, la décomposition photocatalytique de l'eau et les méthodes biologiques et biochimiques.

Production d'hydrogène utilisant le nucléaire
L'électrolyse nucléaire est une méthode potentielle pour une production d'hydrogène à grande échelle et sans carbone - appelé “hydrogène rose” - même si cette méthode émerge seulement. Comme les centrales nucléaires fonctionnent en continu, elles fournissent une source d'énergie stable pour la production d'hydrogène, relevant ainsi les défis de l'intermittence liés à l'énergie renouvelable. Toutefois, dans certains pays, les préoccupations publiques relatives à la sûreté nucléaire, l'élimination des déchets et le potentiel de prolifération constituent des obstacles à la mise en place.

Décomposition photocatalytique de l'eau
Exploitant directement la puissance du soleil, la décomposition photocatalytique de l'eau utilise des matériaux semi-conducteurs qui absorbent la lumière du soleil pour décomposer les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène, sans électricité. Lorsque les photons frappent un semi-conducteur photocatalytique, il excite les électrons, qui fournissent l'énergie nécessaire à une réaction chimique, imitant la photosynthèse dans les plantes.

Cette méthode est loin d'être prête pour le déploiement en masse et des recherches supplémentaires sont nécessaires pour développer des matériaux photocatalytiques rentables. Toutefois, les essais précoces indiquent que son efficacité est beaucoup plus élevée que l'électrolyse électrique. 

Production d'hydrogène biologique et biochimique 
Une autre possibilité de production est la biophotolyse, qui exploite la photosynthèse des algues et cyanobactéries dans la nature pour produire de l'hydrogène à partir de corps de l'eau. De plus, les réactions enzymatiques peuvent être en mesure de catalyser la production d'hydrogène à partir de biomasse ou d'eau. 

À l'heure actuelle, ces méthodes sont entièrement expérimentales, mais explorer les limites et les possibilités de production d'hydrogène est essentiel pour accroître l'économie d'hydrogène comme pierre angulaire efficace et viable pour la réduction des gaz à effet de serre. 

La production et l'utilisation efficaces de l'hydrogène nécessite de peser des facteurs financiers, techniques et environnementaux pour la prise de décision. Le raffinement et l'augmentation de diverses méthodes de production d'hydrogène amélioreront la viabilité de l'hydrogène dans de nombreuses applications différentes. 

Bien que la production d'hydrogène gris avec SMR ou ATR soit la plus courante actuellement, les aides fiscales des états augmentent la production d'hydrogène bleu, qui utilise des technologies de captage du carbone pour limiter les impacts environnementaux. L'hydrogène vert, produit par électrolyse à énergie renouvelable, présente une solution plus durable, mais son évolutivité et son rapport coût-efficacité nécessitent d'autres avancées technologiques. 

Les méthodes émergentes comme la pyrolyse du méthane et la décomposition photocatalytique de l'eau offrent des alternatives prometteuses, mais elles sont encore à leurs tout débuts, nécessitant une recherche et un développement supplémentaires. Une approche multifacette qui englobe un portefeuille diversifié de méthodes de production, couplée à des politiques de soutien et à une innovation continue, est essentielle pour faire de l'hydrogène une énergie durable pionnière.