Production d'hydrogène

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La production d'hydrogène, ou plus exactement de dihydrogène, s'obtient le plus souvent par un procédé d'extraction chimique d'hydrocarbures fossiles. Le dihydrogène peut également être extrait de l'eau via la production biologique 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 permettrait d'accélérer la mise en place d'une « économie hydrogène ».

Histoire[modifier | modifier le code]

À partir des hydrocarbures[modifier | modifier le code]

Le dihydrogène 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 (en) a été lancé par la compagnie norvégienne StatoilHydro.

Réduction de la vapeur d'eau[modifier | modifier le code]

Généralement le dihydrogène est produit par vaporeformage par le gaz naturel, mais la charge peut aussi être du GPL ou du Naphta. À haute température (700 à 1 100 °C) et à pression modérée (20-30 bars), de la vapeur (H2O) réagit avec le méthane (CH4) sur un catalyseur au nickel (Ni) 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[modifier | modifier le code]

Du dihydrogène 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.

Charbon[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

La production de dihydrogène 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 en obscurité (en) 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 photofermentation (en) en diffère parce qu'elle ne se produit que sous la lumière. Par exemple, la photo-fermentation avec Rhodobacter sphaeroides SH2C peut être employée pour convertir de petites molécules d'acides gras en hydrogène[1]. L'électrohydrogenèse (en) est utilisée dans la pile à combustible microbienne.

À partir de l'eau[modifier | modifier le code]

Production biologique[modifier | modifier le code]

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 dihydrogène.

Il semble que la production soit à présent économiquement possible par le dépassement de la barrière des 7 à 10 % 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[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Électrolyse de l'eau.
Électrolyseur, vu de face, avec panneau électrique en arrière-plan

Produire de l'hydrogène par une voie chimique directe reste plus efficace que par électrolyse. Mais la filière chimique est associée à des risques de pollution ou de génération de sous-produits toxiques lors de l'extraction de l'hydrogène.
Une alimentation en énergie électrique renouvelable, comme l'hydroélectricité, l'éolien, ou le solaire photovoltaïque permet théoriquement de produire l'hydrogène sans pollution ou presque, ce qui a été peu fait car en général, l'électricité consommée reste plus précieuse que le dihydrogène produit. L'électrolyse présente cependant des avantages croissant à mesure que la population humaine et la pollution augmentent, et que des ressources non renouvelables (composés de carbone) se réduisent ou que les gouvernements diminuent les subventions aux carburants à base de carbone ou au nucléaire.

On commence à optimiser les réactions électrochimiques en imitant certains processus biologiques (végétaux notamment).
En 2012, les résultats[2],[3] de premiers essais de catalyseurs bio-inspirés (ici imitant le fonctionnellement d'enzymes naturels), montrent que du cobalt pourrait remplacer le couteux platine pour la production d'hydrogène et/ou la production d'oxygène par électrolyse de l'eau[4]. Deux composés sont proposés (en 2012), le premier utilisable en solutions aqueuses de pH neutre sous forme de « nanoparticules de cobalt enrobées d'un oxo-phosphate de cobalt » ; et l'autre étant « le premier matériau catalytique "commutable" et sans métaux nobles jamais créé capable d'intervenir dans les deux réactions chimiques essentielles à l'électrolyse de l'eau : la production d'hydrogène et la production d'oxygène »[4] (des catalyseurs bio-inspirés, à base de nickel sur nanotubes de carbone étaient déjà proposés, mais efficaces uniquement en milieu fortement acide). Ce nanocatalyseur est commutable, ceci signifie qu'il « peut se transformer de manière réversible d'une forme chimique à une autre, chacune correspondant à une activité catalytique spécifique ». Reste à tester l'industrialisation du processus.

Fractionnement photoélectrochimique de l'eau[modifier | modifier le code]

Article détaillé : cellule photoélectrochimique.

Utiliser l'électricité produite par des systèmes photovoltaïques est la façon la plus propre de produire de l'hydrogène. L'eau est séparée en dihydrogène et dioxygène 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[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Électrolyse à haute température.

Quand l'énergie est disponible sous forme de très haute température (centrale nucléaire ou moindrement concentration solaire thermique), la meilleure voie de production du dihydrogène pourrait être l'électrolyse à haute température (HTE). Contrairement à l'électrolyse à basse température, la HTE convertit plus d'énergie-chaleur initiale en énergie chimique (le dihydrogène), pouvant en augmenter l'efficacité d'environ 50 %. L'énergie en HTE étant 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.

Le procédé HTE est plus souvent évoqué par la Recherche pour la chaleur nucléaire existante, car l'investissement solaire correspond à des coûts d'investissement élevé. La recherche vise un approvisionnement en hydrogène compétitif (en termes de coûts) face au gaz naturel avec réduction de la vapeur (le vaporeformage).
L'HTE a été démontrée en laboratoire, mais pas encore à échelle industrielle.

Des prototypes de réacteurs nucléaires dits « de quatrième génération » fonctionnent de 850 à 1 000 °C, température considérablement plus élevée que celle des réacteurs nucléaires actuels. General Atomics prédit que de le dihydrogène produit dans les réacteurs à très haute température (High Temperature Gas Cooled Reactor, HTGR) coûterait 1,53 $/kg. En 2003, le vaporeformage produisait du dihydrogène à 1,40 $/kg. En 2005, avec l'envolée du prix du pétrole, le prix du dihydrogène était de 2,70 $/kg. Par conséquent, pour les seuls États-Unis, une économie de dizaines de milliards de dollars par an est possible sur le dihydrogène produit par le nucléaire. Une grande partie de cette épargne se traduirait par une réduction des importations de pétrole et de gaz naturel. Reste à sécuriser la filière et valoriser l'oxygène coproduit ou vérifier qu'il n'aurait pas d'impact environnemental en étant massivement relargué dans l'environnement (ex. : production accrue d'ozone le jour, augmentation de la corrosion, ou augmentation des risques d'incendie).

Un réacteur nucléaire pouvant à la fois produire de l'électricité et de l'hydrogène pourrait aussi mieux moduler sa production. Par exemple, la centrale nucléaire pourrait produire de l'électricité le jour et de l'hydrogène la nuit, pour mieux s'adapter aux variations quotidienne de la demande. Si l'hydrogène peut être produit économiquement, ce régime serait en concurrence favorable avec les grilles de stockage de l'énergie. La demande de dihydrogène aux États-Unis semble suffisante pour que tous les jours de pointe puissent être traitées par ces usines. Toutefois, les réacteurs de « génération IV » ne sont pas attendus avant 2030 et leur production sera centralisée ; il n'est pas certain qu'ils puissent assurer à la fois la sécurité et une large répartition de la distribution de l'hydrogène.

Production chimique[modifier | modifier le code]

Parmi les différents métaux qui peuvent réagir avec des solutions aqueuses pour produire du dihydrogène, l'aluminium et ses alliages sont parmi les plus appropriés pour le développement à venir[5]. L'aluminium peut être stocké et transporté d'une manière simple, plus sûre et moins chère que le dihydrogène. Il est stable dans les conditions habituelles et beaucoup moins cher que le borohydrure de sodium (NaBH4) (3 $/kg)[6]. Les réactions de l'aluminium avec les solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium sont les suivantes[7] :

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

Initialement, la réaction de la génération du dihydrogène (1) consomme de l'hydroxyde de sodium, mais lorsque la concentration d'aluminate de sodium est supérieure à 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 au sujet de la pile à aluminium. La réaction totale (1 et 2) de l'aluminium dans une solution aqueuse qui génère du dihydrogène, est décrite par la réaction (3). Il a été démontré que ce processus est en mesure de produire du dihydrogène à partir de l'aluminium avec régénération des ions hydroxyde[8]. Un obstacle majeur à la production de dihydrogène par réaction de corrosion vient du fait que la surface de l'aluminium peut être facilement passivée[9], mais la passivation peut être minimisée en optimisant plusieurs paramètres expérimentaux tels que la température, la concentration de l'alcali, la forme de la matière première (l'aluminium), et la composition de la solution.

Les systèmes de production de dihydrogène basés sur la corrosion de l'aluminium n'ont pas besoin d'un apport de chaleur externe, puisque la corrosion de l'aluminium est une réaction exothermique. Cette réaction peut être obtenue dans des états de température et de pression douces, offrant une source de dihydrogène stable et compacte. Cette réduction chimique est particulièrement adaptée pour les applications à distance, ou mobiles, ou marines. Un kilogramme d'aluminium produit environ 4 kWh d'énergie sous forme de dihydrogène[10] et, pour un objectif de génération de dihydrogène de 100 % d'efficacité, il est possible de parvenir à une capacité gravimétrique d'hydrogène de 11,2 %m H2, qui est une valeur significative à l'accomplissement des objectifs de recherche du département de l'Énergie des États-Unis[11]. Cette capacité gravimétrique d'hydrogène peut être augmentée en utilisant une combinaison d'aluminium et de tétrahydruroborate de sodium (NaBH4)[12].

Production thermochimique[modifier | modifier le code]

Certains procédés thermochimiques peuvent produire du dihydrogène et du dioxygène à partir d'eau et de chaleur sans utiliser de l'électricité. Vu que le seul apport énergétique pour de tels processus est la chaleur, ils peuvent être plus efficaces que l'électrolyse à haute température. Ceci parce que l'efficacité de la production d'électricité est intrinsèquement limitée. La production thermochimique de dihydrogène 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 présélectionnés. Certains des plus prometteurs comprennent :

  • cycle soufre-iode (cycle IS ou S-I en anglais) ;
  • chlorure de cérium (Ce-Cl) ;
  • chlorure de fer (Fe-Cl) ;
  • iodure de magnésium (Mg-I) ;
  • chlorure ce vanadium (V-Cl) ;
  • sulfate de cuivre (Cu-SO4).

Il existe aussi des variantes « hybrides », qui sont des cycles thermochimiques avec une étape électrochimique :

  • cycle hybride soufre ;
  • cycle cuivre-chlore (Cu-Cl).

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

\rm H_2 O \text{ } \stackrel {chaleur} {\rightleftharpoons} \text{ } H_2 + {1 \over 2} O_2.

Tous les autres produits chimiques utilisés sont recyclés.

Aucun des processus thermochimiques de production d'hydrogène n'a été appliqué à un niveau de production, bien que plusieurs ont été démontrés en laboratoire.

Autres méthodes[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) YongZhen Tao, Yang Chen, YongQiang Wu, YanLing He et ZhiHua Zhou, « High hydrogen yield from a two-step process of dark-and photo-fermentation of sucrose », International Journal of Hydrogen Energy, Oxford, Elsevier, vol. 32, no 2,‎ 2007, p. 200-206 (ISSN 0360-3199, résumé)
  2. E. S. Andreiadis, P.-A. Jacques, P. D. Tran, A. Leyris, M. Chavarot-Kerlidou, B. Jousselme, M. Matheron, J. Pécaut, S. Palacin, M. Fontecave, V. Artero, Molecular Engineering of a Cobalt-based Electrocatalytic Nano-Material for H2 Evolution under Fully Aqueous Conditions, Nature Chemistry (2012). DOI:10.1038/NCHEM.1481
  3. S. Cobo, J. Heidkamp, P.-A. Jacques, J. Fize, V. Fourmond, L. Guetaz, B. Jousselme, R. Salazar, V. Ivanova, H. Dau, S. Palacin, M. Fontecave, V. Artero, A Janus cobalt-based catalytic material for electro-splitting of water, Nature Materials 11 (2012) 802. DOI:10.1038/nmat3385
  4. a et b Communiqué de Recherche de l'université Joseph Fourrier, Production d'hydrogène : si le cobalt remplaçait le platine, 31 octobre 2012
  5. (en) H.Z. Wang, D.Y.C. Leung, M.K.H. Leung et M. Ni, « A review on hydrogen production using aluminum and aluminum alloys », Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier, vol. 13, no 4,‎ 2008, p. 845-853 (DOI 10.1016/j.rser.2008.02.009, résumé)
  6. http://www.lme.co.uk/dataprices_daily_metal.asp
  7. (en) David Belitskus, « Reaction of Aluminum with Sodium Hydroxide Solution as a Source of Hydrogen », Journal of The Electrochemical Society, Pennington (New Jersey), The Electrochemical Society, vol. 117, no 8,‎ août 1970, p. 1097–1099 (ISSN 0013-4651, DOI 10.1149/1.2407730)
  8. (en) Lluís Soler, Jorge Macanás, Maria Muñoz et Juan Casado, « Aluminum and aluminum alloys as sources of hydrogen for fuel cell applications », J. Power Sources, Elsevier, vol. 169, no 1,‎ 2007, p. 144–149 (DOI 10.1016/j.jpowsour.2007.01.080, résumé)
  9. (en) D. Stockburger (dir.), J.H. Stannard (dir.), B.M.L. Rao, W. Kobasz et C.D. Tuck, Hydrogen storage materials, batteries, and electrochemistry, Pennington (New Jersey), The Electrochemical Society,‎ 1992 (ISBN 978-1-56677-006-4, OCLC 25662899, LCCN 92070850), p. 431–444
  10. (en) Steven C. Amendola (dir.), Michael Binder (dir.), Michael T. Kelly, Phillip J. Petillo et Stefanie L. Sharp-Goldman, Advances in Hydrogen Energy, New York, Kluwer Academic Publishers,‎ 2000, En ligne (ISBN 978-0-306-46429-4 et 978-0-306-46922-0, LCCN 00055103), « A Novel Catalytic Process for Generating Hydrogen Gas from Aqueous Borohydride Solutions », p. 69–86 DOI:10.1007/0-306-46922-7_6
  11. (en) [PDF] http://www.sc.doe.gov/bes/hydrogen.pdf
  12. (en) Lluís Soler, Jorge Macanás, Maria Muñoz et Juan Casado, « Synergistic hydrogen generation from aluminum, aluminum alloys and sodium borohydride in aqueous solutions », International Journal of Hydrogen Energy, Elsevier, vol. 32, no 18,‎ 2007, p. 4702–4710 (ISSN 0360-3199, DOI 10.1016/j.ijhydene.2007.06.019, résumé)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]