Généralement, lorsque nous parlons de la production d’hydrogène, la discussion porte soit sur l’électrolyse de l’eau en oxygène et en hydrogène, soit sur le reformage du méthane à la vapeur (SMR). Bien que l’électrolyse soit souvent mentionnée – car elle peut créer de l’hydrogène en utilisant uniquement de l’eau et de l’électricité – le SMR est de loin la source d’hydrogène la plus courante. Cela est dû en grande partie au faible coût et au rendement élevé du SMR, mais un inconvénient majeur du SMR est que de grandes quantités de dioxyde de carbone sont libérées, ce qui compense certains des avantages de l’utilisation de l’hydrogène comme carburant en premier lieu.
Bien que captant ce CO2 peut être considérée comme une solution potentielle ici, la pyrolyse du méthane est une méthode plus récente qui promet d’offrir les mêmes avantages que le SMR tout en produisant également de l’hydrogène et du carbone, plutôt que du CO2. Avec les nombreuses utilisations de l’hydrogène dans les applications industrielles et d’autres domaines, tels que la fabrication d’engrais, un remplacement direct du SMR qui produit de l’hydrogène vert semblerait presque trop beau pour être vrai.
En quoi consiste précisément cette pyrolyse du méthane, et que peut-on en attendre dans les années à venir ?
Déchets de carbone
Méthane (CH4) se trouve le plus souvent en tant que constituant principal du gaz naturel et est également répandu en tant que produit de la méthanogenèse, qui comprend les fameux rots de vache. Avec le reformage du méthane à la vapeur et des processus similaires, l’objectif est d’extraire les atomes d’hydrogène de l’atome de carbone unique, libérant l’hydrogène pour la capture. Cela laisse le carbone essentiellement comme un déchet, ce qui, avec le SMR, fait que chaque atome de carbone capture deux atomes d’oxygène pour former du dioxyde de carbone, notre gaz à effet de serre trop familier.
La réaction de base du SMR est donnée par :
CH4 +H2O ⇌ CO + 3 H2
Il s’agit d’une réaction endothermique, ce qui signifie qu’un réacteur SMR est maintenu dans une plage de température d’environ 800 à 900 °C afin qu’il produise réellement des quantités importantes d’hydrogène. Le CO susmentionné2 apparaît dans la réaction de déplacement eau-gaz supplémentaire (WGSR), décrite comme :
CO + H2O ⇌ CO2 +H2
Le but du WGSR est d’extraire de l’hydrogène supplémentaire, ce qui augmente l’efficacité globale du processus SMR. De plus, des catalyseurs sont utilisés pour augmenter l’efficacité des réactions, ce qui se traduit par une efficacité globale du SMR allant jusqu’à 75 %.
Les coûts d’investissement pour une installation SMR sont plutôt faibles, les coûts continus étant principalement la charge d’alimentation en gaz naturel et le combustible pour le chauffage du réacteur. Si le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone produits doivent également être capturés (ce que l’on appelle l’hydrogène « bleu »), les coûts d’investissement et les coûts permanents seront proportionnellement plus élevés et l’efficacité du système plus faible (~ 60 %). Cela rend la capture et le stockage du carbone avec SMR économiquement peu attrayants, et c’est là que l’hydrogène « turquoise » est produit à l’aide de la pyrolyse du méthane.
Monter la chaleur
La principale différence entre le SMR et la pyrolyse du méthane est la température. Il utilise la décomposition thermique du méthane, avec des températures généralement bien supérieures à 900 ° C, certaines approches explorées au fil des décennies suggérant jusqu’à 1 900 ° C. Un problème général avec le méthane est qu’il s’agit d’une molécule très stable, en raison de ses liaisons CH.
Grâce à ces liaisons fortes, la décomposition thermique du méthane sans la présence d’un catalyseur n’aura généralement lieu qu’à une température supérieure à 1 100 °C. Le défi des dernières décennies de recherche a été de trouver un catalyseur approprié. Ici, les catalyseurs métalliques ont été principalement étudiés, notamment le fer et le nickel. Un gros problème avec les catalyseurs métalliques est leur désactivation rapide par la formation de dépôts de carbone à la surface. La réactivation du catalyseur en nettoyant le dépôt de carbone est problématique et peut entraîner la production de dioxyde de carbone.
Les catalyseurs au carbone ont fait l’objet de plus de recherches ces dernières années, avec un certain nombre d’avantages prometteurs qui les rendent plutôt attrayants. Généralement sous forme de charbon actif et de noir de carbone, leurs avantages peuvent être résumés par rapport aux catalyseurs métalliques comme suit :
- Moindre coût
- Meilleure stabilité (thermique)
- Tolérance aux impuretés (ex. soufre dans le gaz naturel)
- Pas besoin de régénérer le catalyseur
- Le produit final est du carbone pur, sans métaux
- Le dépôt de carbone catalysé peut encore agir comme catalyseur
Une dernière approche, très différente, implique des métaux et des sels en fusion, tous deux dans des réacteurs à colonne à bulles liquides. Dans ces colonnes de matières en fusion, le méthane est introduit par le bas, là où le méthane se décompose thermiquement à l’intérieur des bulles de gaz naturel. Une fois que ces bulles atteignent la surface de la colonne, l’hydrogène et le carbone sont libérés, l’hydrogène plus léger se séparant du carbone qui reste en suspension au-dessus du sel ou du métal fondu.
Ces réacteurs à colonne à bulles fourniraient un processus continu plutôt idéal où le carbone peut être retiré de la surface sans contaminer le matériau fondu ou l’hydrogène produit. Actuellement, cependant, la recherche est toujours en cours pour trouver le bon type de sel ou de métal qui fonctionnerait pour une telle colonne de réaction qui accepterait également les températures de fonctionnement élevées.
Cela signifie que pour le moment, les catalyseurs au carbone semblent être le meilleur moyen de produire de l’hydrogène à partir de méthane par pyrolyse, sauf pour la plage de température plus élevée requise.
Préparation aux heures de grande écoute
Bien que l’un des avantages de la pyrolyse du méthane soit qu’elle peut aujourd’hui atteindre des rendements similaires à ceux du SMR avec CSC, la création de réacteurs à l’échelle industrielle pouvant fonctionner en continu sans temps d’arrêt constant pour maintenance reste un défi permanent. Un type de réacteur prometteur ici est le réacteur à lit fluidisé, ainsi que les réacteurs à lit fixe.
Malgré les défis de la pyrolyse du méthane, il semblerait néanmoins que son heure soit venue. Aujourd’hui, plus de 95% de l’hydrogène est produit avec SMR. Si le rejet libre de dioxyde de carbone dans l’atmosphère n’est plus acceptable, des alternatives comme la pyrolyse du méthane ont une chance de se battre sur le marché de la production d’hydrogène. Bien sûr, il existe de nombreuses autres façons de produire de l’hydrogène, toutes avec leurs propres avantages et compromis.
Une réelle préoccupation est que bon nombre de ces technologies nécessitent soit beaucoup d’électricité, soit des températures élevées. Comme l’ont noté Sánchez-Bastardo et al., il est peu probable que les énergies renouvelables fournissent la quantité d’électricité nécessaire à l’électrolyse de l’eau, même pour la seule demande industrielle. Simultanément, la décomposition thermique, comme dans le cas de la pyrolyse du méthane, nécessite une source d’énergie thermique, qui prend finalement en compte le coût final et l’empreinte carbone de l’hydrogène produit.
C’est là que les réacteurs nucléaires de génération IV pourraient potentiellement jouer un rôle central, le type VHTR (haute température, refroidi à l’hélium) fournissant une température de sortie de 900 à 1 000 °C, ce qui serait suffisant pour la pyrolyse du méthane. L’un de ces VHTR – le HTR-PM chinois – est destiné à être utilisé pour la production d’hydrogène, en plus de la production d’électricité.
Une chose qui semble tout à fait certaine, cependant, est que la production d’hydrogène deviendra beaucoup plus verte, avec de plus en plus de carbone provenant du méthane extrait des réacteurs pyrolytiques plutôt que rejeté dans l’atmosphère attaché aux atomes d’oxygène.
