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L'hydrogène vert doit encore faire ses preuves

L’hydrogène turquoise franchit une étape industrielle

avec Laurent Fulcheri, directeur de recherche au Centre PERSEE de MINES-ParisTech
Le 27 septembre 2022 |
5 min. de lecture
Laurent Fulcheri
Laurent Fulcheri
directeur de recherche au Centre PERSEE de MINES-ParisTech
En bref
  • L’hydrogène « turquoise » est formé à partir de méthane qui alimente un réacteur. Ce réacteur le chauffe à haute température (1000 à 2000 °C) en l’absence d’oxygène.
  • De ce procédé le méthane se décompose en hydrogène (H2) et en noir de carbone solide (C), tout en évitant de produire du CO2 en retour.
  • L’hydrogène « gris » — qui représente 95 % de l’hydrogène produit aujourd’hui — émet 9,89 kg CO2e/kg. C’est donc près de 10 fois plus que l’hydrogène « turquoise » !
  • Aujourd’hui, la production d’hydrogène « turquoise » se trouve à un niveau d’émission proche de l’hydrogène « vert » (0,03 à 0,37 kg CO2e/kg), mais elle est 3 fois moins gourmande en énergie, un chiffre pouvant théoriquement grimper jusqu’à 7 en améliorant les procédés.
  • Si le réacteur est entièrement alimenté en biogaz issu de déchets ménagers, l’intensité carbone chute à -5,22 kg CO2e/kg ! Dans un scénario où le gaz fossile et le biogaz sont mélangés, seuls 10 % de biogaz suffisent pour une intensité carbone nulle.

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Vert, gris, bleu, rose… Les cou­leurs pour qua­li­fier l’hydrogène se mul­ti­plient, cha­cune décri­vant la façon dont il est pro­duit. Un pro­cé­dé de for­ma­tion mécon­nu se fraie un che­min notam­ment aux États-Unis : l’hydrogène « tur­quoise ». Tout comme lors du refor­mage (pro­cé­dé dit SMR, pro­dui­sant l’hydrogène « gris »), l’hydrogène « tur­quoise » est for­mé à par­tir de méthane. Mais ici, le méthane ali­mente un réac­teur qui le chauffe à haute tem­pé­ra­ture (1 000 à 2 000 °C) en l’absence d’oxygène — on parle de pyro­lyse. Le gaz (CH4) est alors décom­po­sé en hydro­gène (H2) et noir de car­bone solide (C). Le pro­cé­dé pré­sente l’avantage de ne créer aucune molé­cule de CO2 — un puis­sant gaz à effet de serre — mais consomme de l’électricité. Il est actuel­le­ment 3 fois moins gour­mand en éner­gie que l’électrolyse de l’eau (hydro­gène « vert »), et ce chiffre pour­rait théo­ri­que­ment grim­per jusqu’à 7 en amé­lio­rant les pro­cé­dés1.

L’hydrogène tur­quoise est-il la solu­tion à la tran­si­tion éner­gé­tique ? Une équipe de recherche inter­na­tio­nale cal­cule pour la pre­mière fois son ana­lyse du cycle de vie (ACV). Cet indi­ca­teur est clas­si­que­ment uti­li­sé pour éva­luer l’empreinte cli­ma­tique depuis la pro­duc­tion jusqu’en fin de vie. L’analyse se base sur une uni­té de pro­duc­tion com­mer­ciale, l’usine de Mono­lith Mate­rials’ Olive Creek, qui conver­tit l’électricité pro­ve­nant de cen­trales éoliennes en plas­ma d’arc pour chauf­fer le gaz. Laurent Ful­che­ri est l’un des auteurs de cette étude publiée en juillet 2022 dans Inter­na­tio­nal Jour­nal of Hydro­gen Ener­gy2.

Que nous apprend l’évaluation de l’ACV sur l’empreinte climatique de l’hydrogène turquoise ?

Nous ima­gi­nions que ce mode de pro­duc­tion avait une empreinte car­bone extrê­me­ment inté­res­sante, mais nous le quan­ti­fions ici pour la pre­mière fois : la pro­duc­tion d’un kilo d’hydrogène tur­quoise émet 0,91 kg d’équivalent CO2 (kg CO2e/kg). L’hydrogène « gris » — qui repré­sente 96 % de l’hydrogène pro­duit aujourd’hui — émet quant à lui 9,89 kg CO2e/kg. C’est donc près de 10 fois plus que l’hydrogène « tur­quoise »3 ! Le prin­ci­pal atout de notre étude tient au fait qu’elle se fonde sur les don­nées de la pre­mière uni­té indus­trielle à taille réelle : elle est donc repré­sen­ta­tive de l’empreinte car­bone réelle.

La méthode de cal­cul uti­li­sée prend en compte l’ensemble des émis­sions : celles issues du pro­cé­dé, de l’électricité uti­li­sée, mais aus­si des hydro­car­bures. L’essentiel ne pro­vient pas du pro­cé­dé lui-même, mais des fuites tout au long de la chaîne d’approvisionnement du gaz (extrac­tion, dis­tri­bu­tion, etc.). Et aujourd’hui, la pro­duc­tion d’hydrogène « tur­quoise » se trouve à un niveau d’émission proche de l’hydrogène « vert » (0,03 à 0,37 kg CO2e/kg), mais elle pré­sente l’avantage d’utiliser beau­coup moins d’électricité.

L’usine de Monolith, qui sert ici à calculer l’ACV, utilise du gaz naturel fossile. Peut-on imaginer utiliser du méthane issu de déchets ou de stations d’épuration ?

Les États-Unis dis­posent d’importantes réserves de gaz de schiste, et c’est cette voie qui sera la plus favo­rable pour déployer l’hydrogène « tur­quoise ». En Europe le scé­na­rio est dif­fé­rent, notam­ment depuis la guerre en Ukraine : le bio­gaz sera vrai­sem­bla­ble­ment la matière pre­mière privilégiée.

C’est un mode de pro­duc­tion que nous avons modé­li­sé : l’hydrogène « tur­quoise » devient alors meilleur que l’hydrogène « vert ». Si le réac­teur est entiè­re­ment ali­men­té en bio­gaz issu de déchets ména­gers, l’intensité car­bone chute à ‑5,22 kg CO2e/kg ! La pro­duc­tion agri­cole végé­tale contri­bue en effet à sto­cker du car­bone grâce à la pho­to­syn­thèse, ce qui rend l’ensemble du pro­cé­dé « sto­ckeur » de CO2. Comme le bio­gaz n’est dis­po­nible qu’en quan­ti­té limi­tée, on peut aus­si ima­gi­ner un scé­na­rio où le gaz fos­sile et le bio­gaz sont mélan­gés. Pour 10 % de bio­gaz, l’intensité car­bone de l’hydrogène « tur­quoise » est nulle.

Qu’est-ce qui explique le faible impact climatique de l’hydrogène turquoise ?

La réac­tion n’est pas elle-même pro­duc­trice de CO2 contrai­re­ment à d’autres pro­cé­dés comme le SMR (hydro­gène « gris »). De plus, à par­tir d’un kilo de méthane, on pro­duit 250 grammes d’hydrogène, mais aus­si 750 g de noir de car­bone solide. Or ce der­nier est valo­ri­sable dans de nom­breuses indus­tries : nous avons alloué les émis­sions de CO2 totales à l’hydrogène et au noir de car­bone pro­duits. Ce par­tage contri­bue donc à bais­ser l’empreinte car­bone de l’hydrogène. 

Et concernant les émissions liées au noir de carbone ? 

C’est l’autre avan­tage majeur de ce pro­cé­dé. 15 mil­lions de tonnes de noir de car­bone sont pro­duites chaque année dans le monde. Les pro­cé­dés uti­li­sés émettent en moyenne 2,6 kg CO2e/kg : la pyro­lyse du gaz fos­sile per­met d’abaisser les émis­sions à 0,9 kg CO2e/kg.

Il faut com­prendre que rem­pla­cer les uni­tés de pro­duc­tion actuelles d’hydrogène « gris » par des pro­cé­dés de pyro­lyse demande des inves­tis­se­ments colos­saux. Par exemple, la pre­mière usine com­plète de Mono­lith sera com­po­sée de 12 uni­tés iden­tiques, pour un inves­tis­se­ment d’environ 1 mil­liard d’euros. Le noir de car­bone — un pro­duit tech­nique à haute valeur ajou­tée — est donc un élé­ment très impor­tant dans l’équation éco­no­mique de départ.

La viabilité économique de l’hydrogène turquoise repose donc sur le noir de carbone ?

Le noir de car­bone est essen­tiel­le­ment uti­li­sé dans les pneu­ma­tiques, mais aus­si les colo­rants, les pein­tures, les piles et les bat­te­ries. Ce copro­duit rend le pro­cé­dé éco­no­mi­que­ment inté­res­sant, mais aus­si stra­té­gique : il y a aujourd’hui une pénu­rie de noir de car­bone en Europe, car l’essentiel de la pro­duc­tion pro­vient de Rus­sie et d’Ukraine.

Ne risque-t-on pas de se retrouver avec une production de noir de carbone supérieure à la demande ?

Si la tota­li­té de notre pro­duc­tion d’hydrogène actuelle était rem­pla­cée par de l’hydrogène tur­quoise, le mar­ché serait effec­ti­ve­ment très vite satu­ré et l’on se retrou­ve­rait avec des « mon­tagnes » de car­bone solide. Les indus­triels étu­dient déjà la pyro­lyse de 2e ou 3e géné­ra­tion. Le noir de car­bone pour­rait être uti­li­sé pour de nou­velles appli­ca­tions mas­sives, comme dans les maté­riaux de construc­tion ou l’amendement des sols. La der­nière solu­tion serait de l’enfouir. Plu­tôt que de sto­cker du CO2, le sto­ckage de noir de car­bone pour­rait contri­buer à dimi­nuer les GES. Mais cette étape ne devrait être atteinte que si le pro­cé­dé se déve­loppe à des échelles phénoménales.

Quel rôle l’hydrogène turquoise a‑t-il à jouer dans la transition énergétique ?

À plus ou moins long terme, l’hydrogène « tur­quoise » pour­rait jouer un rôle majeur pour les appli­ca­tions actuelles de l’hydrogène en rem­pla­çant les pro­cé­dés de SMR. La pro­duc­tion actuelle d’hydrogène — uti­li­sé pour la sidé­rur­gie, l’agriculture ou le raf­fi­nage — s’élève à 60 mil­lions de tonnes chaque année. Cela repré­sente près de 2 % des émis­sions totales de CO2 dans le monde, car il est pro­duit à 96 % par SMR. Il fau­drait donc déjà com­men­cer par réduire ces émis­sions avant de déve­lop­per de nou­velles applications !

L’hydrogène « tur­quoise » a un rôle majeur à jouer pour décar­bo­ner l’industrie de l’hydrogène. Mal­gré l’engouement actuel pour l’électrolyse de l’eau, ce pro­cé­dé est extrê­me­ment éner­gi­vore et n’est aujourd’hui pas ren­table : l’hydrogène « tur­quoise » a lui atteint une matu­ri­té tech­no­lo­gique et un modèle éco­no­mique d’ores et déjà soutenable.

Anaïs Marechal 
1Han J, Mintz M, Wang M. Waste-to-wheel ana­ly­sis of anae­ro­bic-diges­tion-based rene­wable natu­ral gas path­ways with the GREET model (No. ANL/ESD/11–6). Argonne, IL (Uni­ted States): Argonne Natio­nal Lab.(ANL); 2011.
2Diab, J., et al. (2022), Why tur­quoise hydro­gen will be a game chan­ger for the ener­gy tran­si­tion, Inter­na­tio­nal jour­nal of hydro­gen ener­gy, volume 47, issue 61, pages 25831–25848.
3World Ener­gy Coun­cil (2019), Inno­va­tion Insights Brief, New hydro­gen eco­no­my – Hope or hype ?

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