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

Cet arti­cle fait par­tie du deux­ième 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.