Du reformage du méthane à la vapeur à l’hydrogène vert

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Du reformage du méthane à la vapeur à l’hydrogène vert

La durabilité est une priorité de l’agenda politique. Nos blogs précédents sur l’hydrogène liquide ont déjà décrit brièvement comment l’hydrogène gagne en importance en tant que vecteur énergétique durable et carburant pour diverses industries.

Dans ce blog, nous abordons de manière plus approfondie les différentes manières dont l’hydrogène peut être produit. Nous passons en revue l’hydrogène gris, bleu et vert et expliquons en quoi consiste le reformage du méthane à la vapeur, nous sondons les problèmes posés par cette méthode et nous expliquons comment nous nous dirigeons progressivement vers un monde rempli d’hydrogène durable.

Hydrogène en trois couleurs

L’hydrogène peut être produit de diverses manières. Certaines méthodes sont nettement plus durables que d’autres, et c’est pourquoi les processus sont souvent représentés par des couleurs. Les trois méthodes de production les plus courantes sont appelées hydrogène gris, bleu et vert.

Hydrogène gris (reformage du méthane à la vapeur)

Actuellement, environ 95 % de l’hydrogène en Europe est produit par reformage du méthane à la vapeur. Cette méthode utilise la vapeur à haute température (700-1000 centigrades) pour produire de l’hydrogène à partir d’une source de méthane, comme le gaz naturel ou le charbon. Les deux éléments combinés à un catalyseur donnent lieu à une réaction à une pression de 3-25 bars (1 bar = 14,5 psi). Cette réaction génère du CO, du CO2 et de l’hydrogène.

Ensuite, dans une deuxième étape, appelée « réaction de déplacement de l’eau vers le gaz », la teneur en hydrogène est encore enrichie. Au cours de cette étape, une réaction est induite entre la vapeur et le CO, toujours à l’aide d’un catalyseur. Il en résulte une petite quantité de chaleur et de CO et une grande quantité d’hydrogène.

Les formules chimiques de ce processus sont les suivantes :
Reformage du méthane à la vapeur
CH4 + H2O → CO + 3H2
Réaction de transfert de gaz à l’eau
CO + H2O → CO2 + H2

Lereformage du méthane à la vapeur est un procédé efficace, mais malheureusement assez dommageable pour l’environnement.

Pour chaque kilogramme d’hydrogène produit par cette méthode, pas moins de 7 kilogrammes de CO2 sont libérés.

Hydrogène bleu

Une alternative légèrement plus durable est l’hydrogène bleu. L’hydrogène bleu est fondamentalement le même que l’hydrogène gris (produit par reformage du méthane à la vapeur), mais la grande majorité du CO2 est capté et stocké sous terre(captage et stockage du carbone) ou réutilisé(captage et utilisation du carbone).
Dans le processus de captage et de stockage du carbone (CSC), le CO2 libéré est transporté par des pipelines jusqu’à des gisements de gaz vides et, par exemple, injecté dans des couches de grès souterraines. Le CO2 peut également être capté et réutilisé, par exemple, dans la production de biocarburants, de plastiques ou de béton. Ce processus est connu sous le nom de capture et utilisation du carbone (CCU).

L’hydrogène bleu est beaucoup plus durable que l’hydrogène gris, mais la capture du CO2 nécessite une infrastructure et une énergie supplémentaires. Par conséquent, le coût de l’hydrogène bleu est plus élevé que celui de l’hydrogène gris.

Hydrogène vert

L’alternative la plus durable, mais malheureusement aussi la plus difficile, est l’hydrogène vert. L’hydrogène vert est produit par électrolyse. Cette réaction chimique est obtenue en utilisant un courant électrique pour séparer les substances composées en substances simples. Pour produire de l’hydrogène vert, l’eau est divisée en oxygène et en hydrogène.

L’électrolyse et l’hydrogène vert sont actuellement sous les feux de la rampe. Si l’on utilise uniquement de l’énergie verte (comme l’énergie éolienne ou solaire), le processus est neutre en termes de CO2.

Cependant, la production d’hydrogène vert est coûteuse. L’électrolyse nécessite des quantités relativement importantes d’électricité verte, et l’efficacité de l’ensemble du processus de production – y compris l’électrolyse – est encore en cours de développement. Tous ces défis ont une incidence sur l’évolutivité ; en conséquence, la production d’hydrogène vert est encore très limitée dans le monde. Dans un avenir proche, cette situation devrait changer.

Du reformage du méthane à la vapeur à l’hydrogène vert

Comment parvenir à terme à cette économie verte de l’hydrogène ? Comment se déroulera l’évolution du reformage du méthane à la vapeur, qui est actuellement la méthode de choix, vers l’hydrogène vert durable à partir de 2021 ?

Comme l’a récemment décrit le SINTEF dans un blog, « L’avenir est vert, mais le chemin qui y mène est multicolore ». Avant que l’hydrogène vert ne l’emporte sur l’hydrogène gris, nous pensons qu’il faudra attendre au moins plusieurs décennies. L’échéance exacte reste une conjecture, mais il existe des prédictions sur les méthodes de production dont nous serons témoins d’ici à 2050.

Prédictions de SINTEF

Le tableau ci-dessous est basé sur les résultats de la pré-étude Hydrogène pour l’Europe et légèrement modifié par SINTEF. Les différentes couleurs représentent une prédiction des méthodes de production de l’hydrogène dans les décennies à venir.

Source : SINTEF

La ligne noire

Tout d’abord, la ligne pointillée noire indique la croissance prévue de la production d’hydrogène dans son ensemble. Il n’y a aucun doute : la demande d’hydrogène augmentera considérablement d’ici à 2050.

La ligne grise

La ligne grise(H2 à partir de gaz naturel) indique l’hydrogène produit par reformage du méthane à la vapeur. Bien que la majeure partie de l’hydrogène en 2021 soit encore produite de cette manière, la ligne grise devrait diminuer fortement à partir de cette année. L’hydrogène gris reste de loin l’option de production la plus rapide et la plus économique en 2021, mais avec l’essor de l’hydrogène bleu et vert, l’hydrogène gris sera de moins en moins nécessaire dans un avenir proche.

La ligne bleue

La ligne bleue indique l’hydrogène bleu. L’hydrogène bleu est, par essence, de l’hydrogène gris, avec le CO2 capturé pendant la production. Les processus de production étant par ailleurs similaires, l’hydrogène bleu est une première étape logique vers la durabilité. Après tout, les infrastructures pour le reformage du méthane à la vapeur existent déjà. Le seul ajout nécessaire pour la production d’hydrogène bleu est le système de capture et de stockage du carbone (CCS) ou de capture et d’utilisation du carbone (CCU).

La ligne verte

Si l’hydrogène bleu sert de technologie intermédiaire, l’hydrogène vert (produit à partir de ressources renouvelables et par électrolyse) est l’objectif ultime de la plupart des stratégies. Toutefois, l’hydrogène vert et ses processus n’en sont encore qu’à leurs débuts ; il est donc peu probable que la ligne verte dépasse de sitôt la ligne bleue.

Heureusement, les développements relatifs à la production d’hydrogène vert battent leur plein. Un bon nombre de pays ont investi dans des projets pilotes liés à la production, au stockage, au transport et, bien sûr, à l’application de l’hydrogène vert (voir notre récent blog,« À quoi sert l’hydrogène ? »).

Toutefois, pour parvenir à l’économie verte de l’hydrogène souhaitée, il faudra encore plus d’investissements, plus de recherche et une réduction des coûts. Cela prend du temps, ce qui est clairement reflété par la ligne verte.

La ligne jaune

Enfin, le graphique montre une ligne jaune. Cette méthode utilise la biomasse (et le CSC) pour la production d’hydrogène. En principe, l’utilisation de la biomasse est durable tant que cette biomasse est un déchet résiduel. Toutefois, étant donné que la production d’hydrogène à partir de la biomasse est un processus moins efficace et que la biomasse est moins disponible, la production d’hydrogène à partir d’énergies renouvelables représentera une part plus importante de la quantité totale d’hydrogène produite.

Un avenir sans émissions de CO2

Quelles sont les conséquences de ces évolutions sur les émissions totales de CO2 en Europe au cours des prochaines décennies ? Cela reste bien sûr à voir, mais les prédictions sont optimistes. Selon le SINTEF, l’utilisation d’hydrogène propre pourrait entraîner une réduction de plus de 800 Mt de CO2 par an d’ici 2050. Cela représente 19 % des émissions actuelles de gaz à effet de serre.

Cette réduction significative des émissions de CO2 nécessitera la croissance attendue de la production d’hydrogène vert. Un décuplement de la taille actuelle du marché est même nécessaire, tandis que la production doit être entièrement durable.

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