« L’hydrogène turquoise », une solution viable sans CO2 ?

Cet article fait par­tie du numé­ro de notre maga­zine Le 3,14 dédié à l’hy­dro­gène. Décou­vrez-le ici

Si l’utilisation de l’hydrogène-énergie est propre, sa pro­duc­tion est le plus sou­vent très pol­luante, notam­ment en CO₂. Les solu­tions plus vertes, comme l’électrolyse, res­tent trop coû­teuses, mais de nou­velles tech­no­lo­gies effi­caces et peu pol­luantes émergent, notam­ment la pyro­lyse du méthane. Votre hydro­gène, vous le pré­fé­rez gris, bleu, vert ou turquoise ?

L’hydrogène est-il l’énergie idéale ?

L’hydrogène est en soi une éner­gie ver­tueuse : lorsqu’on le brûle ou qu’on l’utilise dans une pile à com­bus­tible, il ne pro­duit que de l’eau et de l’énergie. Cepen­dant, il n’existe pra­ti­que­ment pas à l’état natu­rel, et il faut donc le pro­duire… Or, pour cela, il faut beau­coup d’énergie, ce qui le rend bien moins propre. Aujourd’hui, envi­ron 95 % de l’hydrogène est pro­duit à par­tir d’hydrocarbures fos­siles ! Une tonne d’hydrogène s’accompagne de 10 tonnes de CO₂ émis ; c’est l’une des pires éner­gies en bilan glo­bal. L’enjeu est donc de pro­duire cet hydro­gène sans CO₂.

Com­ment pro­duire cet hydro­gène sans CO₂ ?

Aujourd’hui, on sait le faire grâce à l’électrolyse de l’eau, qui repré­sente 5 % de la pro­duc­tion mon­diale d’hydrogène. C’est l’hydrogène dit « vert ». Il s’agit de décom­po­ser l’eau en oxy­gène et en hydro­gène, mais cela consomme beau­coup d’électricité. Et cette consom­ma­tion est inévi­table : la réac­tion chi­mique néces­site au mini­mum 40 kWh par kilo d’hydrogène pro­duit, si l’on dis­pose d’électrolyseurs fonc­tion­nant au ren­de­ment maxi­mum. Or, aujourd’hui, leur ren­de­ment est d’environ 60 %, ce qui signi­fie qu’aujourd’hui, pro­duire 1 kg d’hydrogène consomme 60 kWh. 

L’hydrogène dit « vert » peut être encore decli­né en « rose »  ou « jaune » si l’électricité uti­li­sée est pro­duite par des éner­gies renou­ve­lables, nucléaire (toutes les deux fai­ble­ment émet­trices de CO2) ou d’origine mixte. Cette décli­nai­son
pour­rait éga­le­ment s’appliquer à la pyro­lyse du méthane. These varia­tions could also be applied to methane pyrolysis.

On com­prend bien pour­quoi le refor­mage du méthane est majo­ri­taire par rap­port à l’électrolyse : aux prix actuels de l’électricité, 1 kg d’hydrogène issu de l’électrolyse coûte 4 à 6 €, contre moins d’1 € pour l’hydrogène pro­duit par refor­mage. Les condi­tions d’un déploie­ment mas­sif de l’hydrogène « vert » sur les bases du mar­ché ne sont pas réunies.

Quelles sont les options pour « ver­dir » la pro­duc­tion d’hydrogène ?

L’une des options est de com­bi­ner le refor­mage du CO₂ avec la cap­ture et le sto­ckage du CO₂ (voir notre dos­sier sur le sto­ckage du CO₂). Les scé­na­rios montrent que cela mul­ti­plie­rait le coût de l’hydrogène par deux ou trois, soit un prix de 2 à 3 €/kg. Cet hydro­gène est dit « bleu ». Celui issu du refor­mage du méthane est dit « gris », et celui pro­ve­nant du char­bon « noir ».

Mais il existe une autre voie. Les milieux poli­tiques et indus­triels l’ont décou­verte récem­ment, mais elle n’est pas si nou­velle : j’ai tra­vaillé toute ma car­rière des­sus, depuis 1995. Cette voie est dite « tur­quoise », elle uti­lise à la fois l’électricité et le méthane. Le prin­cipe est de décom­po­ser le méthane par pyro­lyse, à très haute tem­pé­ra­ture (1 000 à 2 000 °C). On obtient ain­si du car­bone et de l’hydrogène, mais pas de CO₂. À par­tir d’un kilo de méthane, on pro­duit 250 g d’hydrogène et 750 g de noir de car­bone, un pro­duit à haute valeur ajou­tée. Et sur­tout, cette réac­tion néces­site sept fois moins d’électricité que l’électrolyse de l’eau par quan­ti­té d’hy­dro­gène pro­duite (mais pro­duit deux fois moins d’hydrogène que le refor­mage à l’eau par molé­cule de méthane).

 Où en est la pro­duc­tion indus­trielle d’hydrogène « turquoise » ? 

Ce pro­cé­dé de pyro­lyse est en phase de déve­lop­pe­ment indus­triel aux États-Unis, avec notre par­te­naire indus­triel amé­ri­cain Mono­lith Mate­rials. Il a déve­lop­pé un pilote entre 2012 et 2017 en Cali­for­nie, qui a été concluant, et qui l’a conduit à se lan­cer dans l’industrialisation. La pre­mière uni­té est aujourd’hui construite, et c’est la tête de série de 11 autres uni­tés à venir. Les pro­blèmes tech­no­lo­giques liés au chan­ge­ment d’échelle ont été réso­lus, et la pre­mière com­mer­cia­li­sa­tion est atten­due dans les mois à venir. Cette uni­té consom­me­ra 20 000 tonnes de gaz natu­rel, et pro­dui­ra 15 000 tonnes de noir de car­bone ain­si que 5 000 tonnes d’hydrogène.

Le modèle éco­no­mique consis­te­ra, dans un pre­mier temps, à valo­ri­ser le noir de car­bone, uti­li­sé à grande échelle dans l’industrie du pneu, et qui se vend envi­ron 1 €/kg. Un pneu contient envi­ron 30 % de noir de car­bone, qui per­met d’augmenter la résis­tance à l’usure, aux ultra­vio­lets, ou à la cha­leur. Dans un second temps, l’hydrogène devien­dra pré­pon­dé­rant éco­no­mi­que­ment. Aujourd’hui, la tech­no­lo­gie est opti­mi­sée pour la pro­duc­tion de noir de car­bone (on règle la tem­pé­ra­ture selon le grade de noir de car­bone que l’on sou­haite). Demain, elle sera opti­mi­sée pour la pro­duc­tion d’hydrogène, et il fau­dra déve­lop­per de nou­velles appli­ca­tions des noirs de car­bone, par exemple dans les maté­riaux de construc­tion, les infra­struc­tures rou­tières, ou même dans les sols agri­coles. C’est moins coû­teux et moins ris­qué que le sto­ckage du CO₂ !

Mieux : si le méthane pro­vient de bio­gaz (issu de la décom­po­si­tion de matières orga­niques, dans des métha­ni­seurs ou des décharges, par exemple), il a cap­té du CO₂ de l’air. La pyro­lyse a alors un bilan car­bone néga­tif : on réduit la quan­ti­té de CO₂ dans l’atmosphère.

Existe-t-il des tech­no­lo­gies concur­rentes pour la pro­duc­tion d’hydrogène « tur­quoise » ?

Oui, mais uni­que­ment au stade de labo­ra­toire ou de démons­tra­teur.  Il existe des méthodes dites de « bain à métal liquide » dans les­quelles le méthane est injec­té dans des colonnes conte­nant des métaux fon­dus, où il se décom­pose. Des pilotes ont été construits en Cali­for­nie et en Aus­tra­lie. L’industriel alle­mand BASF étu­die quant à lui la décom­po­si­tion du méthane à l’aide de cata­ly­seurs. Ce sont des concur­rents sérieux, mais ils ont encore des dif­fi­cul­tés tech­no­lo­giques à résoudre.