Production d'hydrogène

(«  ») La production d'hydrogène s'obtient le plus souvent par un procédé d'extraction chimique d'hydrocarbures fossiles. L'hydrogène peut également être extrait de l'eau via la production biologique d'hydrogène par des algues, ou par électrolyse, par réduction chimique), ou encore par la chaleur (thermolyse); ces autres méthodes sont moins propices à la production industrielle, par rapport à celle dérivée des hydrocarbures par voie chimique. La découverte et le développement de méthodes moins coûteuses de production d'hydrogène en masse permettra d'accélérer la mise en place d'une « économie hydrogène ».

Depuis les hydrocarbures

L'hydrogène peut être généré à partir du gaz naturel, avec un rendement d'environ 80%, ou à partir d'autres hydrocarbures avec des degrés divers d'efficacité. La méthode de conversion des hydrocarbures cause des rejets de gaz à effet de serre. Étant donné que la production est concentrée dans un seul établissement, il est possible de séparer les gaz et de s'en débarrasser de façon adéquate, par exemple pour les injecter dans une couche de pétrole ou de gaz naturel (voir la capture du carbone), bien que ce ne soit pas le fait actuellement dans la plupart des cas. Un projet d'injection de dioxyde de carbone dans le gisement de gaz de Sleipner a été lancé par la compagnie norvégienne StatoilHydro.

Réduction de la vapeur d'eau

Généralement l'hydrogène est produit par vaporeformage par le gaz naturel. A haute température (700-1100 °C), de la vapeur (H₂O) réagit avec le méthane (CH₄) pour obtenir un mélange de monoxyde de carbone CO et de dihydrogène H₂, mélange connu sous le nom de "gaz de synthèse".

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

L'énergie libérée par cette réaction est de 191,7 kJ/mol.

La chaleur nécessaire au processus est généralement fournie par combustion d'une partie du méthane.

Monoxyde de carbone

gasification

De l'hydrogène supplémentaire peut être récupéré par l'ajout d'eau par le biais de la réduction de l'eau réalisée à environ 130°C:

CO + H₂O → CO₂ + H₂ - 40,4 kJ / mol

Essentiellement, l'atome d'oxygène (O) est extrait de l'eau (vapeur) ajoutée pour oxyder le CO en CO₂. Cette oxydation fournit également de l'énergie pour perpétuer la réaction en cours.

Procédé de Kværner

Le procédé de Kvaerner ou du noir de carbone et hydrogène processus (CB & H) est une méthode, développée dans les années 1980 par une société norvégienne du même nom, pour la production de vapeur à partir d' hydrocarbures (C_nH_m), tels que méthane, gaz naturel et biogaz.

De l'énergie disponible, environ 48% est contenue dans l'hydrogène, 40% vient du charbon activé et 10% dans la vapeur surchauffée.

Charbon

Le charbon peut être converti en gaz de synthèse et méthane, aussi connu sous le nom de gaz de ville, par la gazéification du charbon.

Production d'hydrogène par fermentation

la production d'hydrogène par fermentation est la conversion de substrat organique en Biohydrogène par divers groupes de bactéries utilisant plusieurs systèmes d'enzyme, impliquant trois étapes semblables à la digestion anaérobie. Les réactions de fermentation noire ne nécessitent pas l'énergie de la lumière, de sorte qu'elles sont capables de produire constamment l'hydrogène à partir de composés organiques jour et nuit. La photo fermentation en diffère parce qu'elle ne se produit que sous la lumière. Par exemple la photo-fermentation avec Rhodobacter sphaeroides SH2C peuvent être employées pour convertir de petites molécules d'acides gras en hydrogène . L'Electrohydrogenèse est utilisée dans pile à combustible microbiennes.

A partir de l'eau

Production biologique

Le biohydrogène peut être produit dans un bioréacteur à algues. À la fin des années 1990, il a été découvert que si l'algue est privée de soufre, elle passe de la production d'oxygène, c'est-à-dire la photosynthèse normale, à la production de l'hydrogène.

Il semble que la production soit à présent économiquement possible par le dépassement de la barrière des 7 à 10 pour cent d'efficacité énergétique (la conversion de la lumière du soleil en hydrogène).

Il est possible de produire le biohydrogène dans des bioréacteurs qui utilisent des matières premières autres que les algues, la source la plus commune étant les eaux usées. Le processus implique des bactéries consommant des hydrocarbures et rejetant de l'hydrogène et du CO₂. Le CO₂ peut être enlevé avec succès par plusieurs méthodes, laissant de l'hydrogène. Un prototype de bioréacteur à hydrogène en utilisant des déchets comme une matière première est opérationnel à l'usine de jus de raisin Welch, dans le nord-est de la Pennsylvanie.

Électrolyse

Navire à électrolyse Hydrogen Challenger (en)

Electrolyseur de face avec panneau électrique en arrière plan

Il est plus efficace de produire de l'hydrogène par le biais d'une voie chimique directe que par électrolyse, mais la filière chimique conduit toujours à produire de la pollution ou des sous-produits toxiques lors de l'extraction de hydrogène. Avec une alimentation en énergie électrique renouvelable , comme l'hydroélectricité, les éoliennes, ou des cellules photovoltaïques, l'électrolyse de l'eau permet de produire l'hydrogène sans pollution. Si cette méthode n'a pas été largement utilisée dans le passé c'est qu'en général, l'électricité consommé est plus précieux que l'hydrogène produit, mais l'importance de l'électrolyse acroit à mesure que la population humaine et la pollution augmentent, que des ressources non renouvelables (composés de carbone) se réduisent et que les gouvernements de suppriment les subventions des carburants à base de carbone.

Fractionnement photoélectrochimique de l'eau

Utiliser l'électricité produite par des systèmes photovoltaïques offre la façon la plus propre de produire de l'hydrogène. L'eau est séparée en hydrogène et oxygène par électrolyse dans une cellule photoélectrochimique (PEC), un procédé également nommé « photosynthèse artificielle ». La recherche visant à l'élaboration d'efficacité supérieure multijunction de la technologie des piles est en cours par l'industrie photovoltaïque.

Électrolyse à haute température

Lorsque l'approvisionnement en énergie est sous forme de chaleur (solaire thermique, ou nucléaire), la meilleure voie à l'hydrogène est l'électrolyse par haute température (HTE). Contrairement à l'électrolyse à basse température, la HTE convertit plus d'énergie-chaleur initiale en énergie chimique (l'hydrogène), pouvant en doubler l'efficacité aux alentours de 50%. Parce qu'une partie de l'énergie en HTE est fournie sous forme de chaleur, moins d'énergie doit être convertie à deux reprises (de la chaleur à l'électricité, et ensuite sous forme chimique), ainsi moins d'énergie est perdue.

En général, on ne s'intéresse au procédé HTE que lorsqu'une source de chaleur nucléaire est disponible, parce que l'autre forme de haute température non-chimiques (la concentration solaire thermique) n'est pas suffisante pour faire baisser les coûts d'investissement de l'équipement HTE. La recherche en HTE et en des réacteurs nucléaires à haute température peut aboutir à un approvisionnement en hydrogène qui est compétitif en termes de coûts au gaz naturel avec réduction de la vapeur (le vaporeformage). l'HTE a été démontrée en laboratoire, mais pas à une échelle industrielle.

Certains prototypes de réacteurs de quatrième génération fonctionnent de 850 à 1000 degrés Celsius, température considérablement plus élevée que celle des centrales nucléaires existantes . General AtomicsGeneral Atomics prédit que de l'hydrogène produit dans les réacteurs à très haute température (High Temperature Gas Cooled Reactor - HTGR) coûterait 1,53$ le kg. En 2003, le vaporeformage produisait de l'hydrogène à 1,40$ le kg. En 2005, avec l'envolée du prix du pétrole, le prix de l'hydrogène coutait 2,70$ le kg. Par conséquent, pour les seuls États-Unis, une économie de dizaines de milliards de dollars par an est possible sur l'hydrogène produit pa le nucléaire. Une grande partie de cette épargne se traduirait par une réduction des importations de pétrole et de gaz naturel.

Un avantage d'un réacteur nucléaire qui produit à la fois électricité et hydrogène est qu'il peut moduler la production entre les deux. Par exemple, l'usine pourrait produire de l'électricité pendant la journée et la nuit de l'hydrogène, correspondant à son profil de production électrique et à la variation quotidienne de la demande. Si l'hydrogène peut être produit économiquement, ce régime serait en concurrence favorable avec les grille de stockage de l'énergie. Qui plus est, il y a suffisamment de demande d'hydrogène aux États-Unis pour que tous les tous les jours de pointe pourraient être traitées par ces usines. Toutefois, les réacteur de Génération IV ne sont pas attendus avant 2030 et il est pas certain qu'ils puissent accorder la sécurité et la répartition de la distribution.

Production chimique

Parmi les différents métaux qui peuvent réagir avec des solutions aqueuses pour produire de l'hydrogène, l'aluminium et ses alliages sont parmi les plus appropriés pour le développement à venir des processus de production d'hydrogène. L'aluminium peut être stocké et transporté d'une manière simple, plus sûre et moins chère que l'hydrogène. Il est stable dans les conditions habituelles et beaucoup moins cher que le borohydrure de sodium (3 $ kg-1). Les réactions de l'aluminium avec les solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium sont les suivantes:

1. 2Al + 6H₂O + 2NaOH → 2NaAl(OH)₄+3H₂
2. NaAl(OH)₄ → NaOH + Al(OH)₃
3. 2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂

Initialement, la génération d'hydrogène de réaction (1) consomme de l'hydroxyde de sodium, mais lorsque la concentration est supérieure à l'aluminate de la limite de saturation, l'aluminate subit une réaction de décomposition (2) qui produit un précipité cristallin de l'hydroxyde d'aluminium avec la régénération de l'alcali. La réaction (2) a été étudiée en profondeur concernant la pile à aluminium. Dans l'ensemble, l'hydrogène générateur de réaction de l'aluminium dans une solution aqueuse est décrit par réaction (3). Il a été démontré que ce processus est en mesure de produire de l'hydrogène à partir de Al avec régénération des ions hydroxydes. Un obstacle majeur à la production d'hydrogène par réaction de corrosion vient du fait que la surface de l'aluminium est facilement passive , mais la passivation peut être minimisée en optimisant plusieurs paramètres expérimentaux tels que la température , concentration de l'alcali, forme de l'aluminium et la composition de la solution.

Les systèmes de production d'hydrogène basés sur la corrosion de l'aluminium n'ont pas besoin d'être chauffés de l'extérieur, puisque la corrosion de l'aluminium est une réaction exothermique. Cette réaction peut être faite par de légères conditions de température et de pression, en offrant une source stable et compacte d'hydrogène. Cette réduction chimique est spécialement adaptée pour les mobiles télécommandés, ou les applications marines. Un kilo d'aluminium produit environ 4 kWh d'énergie sous la forme d'hydrogène et, pour un objectif de génération d'hydrogène de 100% d'efficacité, il est possible de parvenir à une capacité gravimétrique d'hydrogène de 11,2 wt% H2, qui est une valeur significative à l'accomplissement des objectifs de recherche de la US DOE . Cette capacité gravimétrique d'hydrogène peut être augmentée en utilisant une combinaison de Al et NaBH4 pour produire de l'hydrogène. .

Production thermochimique

Certains procédés thermochimiques peuvent produire de l'hydrogène et l'oxygène à partir d'eau et de chaleur sans utiliser de l'électricité. Étant donné que toutes les entrées d'énergie pour de tels processus est la chaleur, ils peuvent être plus efficace que l'électrolyse à haute température. La raison en est que l'efficacité de la production d'électricité est intrinsèquement limitée. La production thermochimique d'hydrogène utilisant l'énergie chimique du charbon ou du gaz naturel n'est généralement pas considérée, parce que la voie chimique directe est plus efficace.

Des centaines de cycles thermochimiques ont été pré-sélectionnés. Certains des plus prometteurs comprennent:

• Cycle soufre-iode (S-I)
• chlorure de cérium (Ce-Cl)
• chlorure de fer (Fe-Cl)
• iodure de magnesium (Mg-Cl)
• chlorure ce vanadium (V-Cl)
• Sulfate de cuivre (Cu-SO₄)

Il y a aussi des variantes "hybrides" , qui sont des cycles thermochimiques avec un étape électrochimique :

• cycle Hybride soufre
• cycle Cuivre-chlore (Cu-Cl)

Pour tous les procédés thermochimiques, le résumé de réaction est celle de la décomposition de l'eau:

$H_{2}O{\text{ }}{\stackrel {Chaleur}{\rightleftharpoons }}{\text{ }}H_{2}+{1 \over 2}O_{2}$

Tous les autres produits chimiques utilisés sont recyclés.

Aucun processus thermochimique de production d'hydrogène n'a été appliqués à un niveaux de production, bien que plusieurs ont été démontrés dans les laboratoires.

Autres méthodes

• Les nanotechnologies la recherche sur la photosynthèse peut conduire à une plus grande efficacité solaire de production d'hydrogène, tels que les cellule photoélectrochimique.

Le radical

• Hydridic Earth theory (en) suggère que de grandes quantités d'hydrogène pourrait exister dans le manteau de la Terre.

Voir aussi

• en:Ammonia production
• en:Hydrogen economy
• en:Hydrogen leak testing
• en:Hydrogen storage
• en:Hydrogen station
• en:Hydrogen technologies
• en:The Hype about Hydrogen
• en:Next Generation Nuclear Plant
• Production d'ammoniac
• Économie hydrogène
• Détection de fuite
• Stockage d'hydrogène
• Énergie renouvelable
• Réacteur nucléaire à très haute température

Liens externes

• U.S. DOE 2007-Technical progress in hydrogen production
• U.S. DOE Hydrogen from Coal Research
• U.S. NREL article on hydrogen production
• Article advocating the use of nuclear power to produce hydrogen
• Génie génétique des protéines du sang peut être utilisé pour produire du gaz hydrogène à partir de l'eau
• Bio-hydrogène

Sources

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Hydrogen production » (voir la liste des auteurs).