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

Laurent Fulcheri
Laurent Fulcheri
directeur de recherche au Centre PERSEE de MINES-ParisTech
En bref
  • Les hydrogènes « noir », « brun » et « gris » sont fabriqués à partir de combustibles fossiles ; l'hydrogène bleu est un processus similaire associé à la capture et au stockage du CO2 afin de réduire les émissions.
  • L'hydrogène vert est produit par électrolyse de l'eau, mais il nécessite de grandes quantités d'électricité provenant du réseau ou d'énergies renouvelables.
  • L'hydrogène turquoise utilise à la fois de l'électricité et du méthane, mais avec 4 à 7,5 fois moins d'électricité que l'électrolyse selon la technologie utilisée - ce qui en fait une technologie pleine d'espoir pour l'avenir.
  • De plus, si le méthane provient de biogaz, il a capté le CO2 de l'air, rendant son empreinte carbone négative.

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.

Tableau présen­tant les sources et tech­niques util­isées ain­si que le niveau de CO2 émis lors de la pro­duc­tion de chaque type d’hy­drogène.

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.

Auteurs

Laurent Fulcheri

Laurent Fulcheri

directeur de recherche au Centre PERSEE de MINES-ParisTech

Après une thèse effectuée au CNRS, il rejoint en 1989 le Centre d'Energétique aujourd'hui (PERSEE) et crée le groupe Plasma. Laurent Fulcheri est un spécialiste des procédés de conversion d'hydrocarbures par plasma thermique. Il travaille en particulier depuis plus de 25 ans sur la  pyrolyse du méthane pour la production d'hydrogène décarboné et de carbone solide.