Production d'hydrogène bleu : process et réflexions

Alors que le changement climatique et les objectifs mondiaux de réduction des émissions de carbone stimulent les recherches sur l'énergie hydrogène, de nombreuses méthodes de production d'hydrogène émergent, chacune avec son lot d'avantages et de difficultés. Si l'hydrogène vert – produit entièrement à partir de sources renouvelables – incarne l'idéal d'un avenir durable, ses limites actuelles en termes économiques, technologiques et d'extensibilité exigent une augmentation significative des autres couleurs de production d'hydrogène pour continuer à promouvoir la viabilité de ce carburant.

L'hydrogène gris et l'hydrogène bleu représentent actuellement la majorité de l'hydrogène produit dans le monde, tous deux étant obtenus par reformage du méthane à la vapeur (SMR) ou par reformage autothermique (ATR), des technologies facilement accessibles et utilisant généralement le gaz naturel comme matière première. Si les deux couleurs de l'hydrogène reposent sur les mêmes méthodes de production, le process de production de l'hydrogène bleu va plus loin en captant et en stockant les émissions de carbone générées par la production d'hydrogène, afin d'éviter qu'elles ne soient rejetées dans l'atmosphère. C'est pourquoi il est considéré comme un hydrogène à faible teneur en carbone.

Le reformage du méthane à la vapeur (SMR) est un process thermochimique mature, dans lequel une source de méthane – telle que le gaz naturel – réagit avec de la vapeur à haute température à 3-25 bar (43,5-363 psi) en présence d'un catalyseur. Elle a une longue histoire dans des industries telles que le raffinage, la fabrication de fertilisants et la production de méthanol.

Cette réaction produit du gaz de synthèse, un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone. Une réaction subséquente de transfert eau-gaz (WGS) convertit ensuite le monoxyde de carbone en hydrogène supplémentaire, générant du dioxyde de carbone et une petite quantité de monoxyde de carbone en tant que sous-produits.

L'hydrogène bleu gagné par la méthode SMR nécessite trois réactions clés et une quatrième étape facultative.

1. Reformage du méthane
Dans cette réaction primaire, le méthane (CH₄) – généralement issu du gaz naturel – réagit avec de la vapeur (H₂O) à haute température (700-1100 °C / 1300-2000 °F) et à haute pression (3-25 bar / 43,5-363 psi) en présence d'un catalyseur à base de nickel. Cette réaction produit du gaz de synthèse, un mélange d'hydrogène (H₂) et de monoxyde de carbone (CO). Elle est endothermique, ce qui nécessite un apport de chaleur.

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)

2. Réaction de transfert eau-gaz
Le gaz de synthèse subit ensuite une réaction de transfert eau-gaz (WGS), au cours de laquelle le monoxyde de carbone réagit avec de la vapeur en présence d'un catalyseur, généralement à base d'oxyde de fer ou de cuivre, pour produire davantage d'hydrogène et de dioxyde de carbone (CO₂). Cette réaction est exothermique, ce qui signifie qu'elle libère de la chaleur.

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

3. Élimination du dioxyde de carbone
Le mélange gazeux obtenu à ce stade est principalement composé d'hydrogène, de dioxyde de carbone et d'un peu de méthane n'ayant pas réagi. Le dioxyde de carbone est le plus souvent éliminé par le biais du traitement des gaz aux amines, qui consiste à dissoudre le dioxyde de carbone dans des solutions d'amines, laissant derrière lui un flux d'hydrogène purifié.

CO₂ + solution d'amine ⇌ complexe amine-CO₂ (représentation chimique simplifiée)

4. Purification de l'hydrogène (en option)
En fonction du niveau de pureté désiré, d'autres étapes de purification peuvent être employées. L'adsorption modulée en pression (AMP) – qui utilise des matériaux adsorbants pour capter sélectivement le dioxyde de carbone – et la séparation membranaire, qui utilise des membranes spécialisées ne laissant passer que l'hydrogène, sont les deux méthodes les plus courantes.

Dans la méthode SMR, les catalyseurs sont essentiels pour accélérer les réactions, mais ils s'épuisent avec le temps et doivent être régénérés ou remplacés. Le processus endothermique de reformage du méthane et la réaction exothermique du transfert eau-gaz (WGS) nécessitent une gestion attentive de la chaleur pour un fonctionnement efficace.

Le reformage autothermique (ATR) est une méthode plus récente, particulièrement bien adaptée à la production d'hydrogène à grande échelle. Bien que l'équipement nécessaire pour induire les réactions requises nécessite un investissement en capital plus important, cette méthode favorise un captage plus efficace du carbone. Cela est dû au dosage contrôlé de l'oxygène gazeux dans l'unité de reformage, qui réduit la production de monoxyde de carbone, produisant ainsi un flux de dioxyde de carbone plus pur que le SMR.

En outre, comme l'ATR oxyde partiellement le méthane avec de l'oxygène pour produire du gaz de synthèse, cette méthode ne nécessite pas de source de chaleur externe. Comme pour le SMR, la réaction de transfert eau-gaz maximise le rendement en hydrogène.

Le principal avantage de l'ATR par rapport au SMR sont ses faibles émissions de monoxyde de carbone et, par conséquent, l'efficacité supérieure du captage du dioxyde de carbone – 95 % contre 60 % seulement . L'hydrogène bleu ATR nécessite les étapes essentielles suivantes.

1. Préchauffage et mélange des matières premières
Le gaz naturel – principalement le méthane – et la vapeur sont préchauffés et des quantités contrôlées d'oxygène (O₂) sont ajoutées au mélange.

2. Combustion
Une partie du méthane réagit avec l'oxygène ajouté dans une réaction de combustion hautement exothermique, générant de la chaleur pour la réaction de reformage ultérieure.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (ΔH = -890 kJ/mol)

3. Reformage
La chaleur générée par la combustion alimente les réactions endothermiques de reformage.

Reformage à la vapeur : CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol) Oxydation partielle : 2CH₄ + O₂ ⇌ 2CO + 4H₂ (ΔH = -36 kJ/mol)

4. Réaction de transfert eau-gaz
Comme dans le cas du SMR, le monoxyde de carbone produit lors des réactions de reformage réagit avec de la vapeur en présence d'un catalyseur pour produire davantage d'hydrogène et de dioxyde de carbone :

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

5. Élimination du dioxyde de carbone
Comme dans le cas du SMR, le dioxyde de carbone est éliminé du mélange gazeux, le plus souvent à l'aide d'un traitement aux amines, qui laisse derrière lui un flux d'hydrogène purifié.

6. Purification de l'hydrogène (en option)
D'autres étapes de purification, telles que la séparation par l'adsorption par inversion de pression (PSA) ou la séparation membranaire, peuvent être mises en œuvre pour augmenter la pureté de l'hydrogène si nécessaire.

Le SMR est plus simple et moins coûteux à mettre en œuvre que l'ATR, car il ne nécessite pas de source d'oxygène constante. Cependant, l'ATR est autonome en termes de chaleur grâce à la réaction de combustion intégrée, de sorte qu'il n'a pas besoin d'une source de chaleur externe une fois qu'il fonctionne, ce qui le rend plus efficace sur le plan énergétique que le SMR.

En outre, l'ATR produit généralement un rapport plus élevé entre l'hydrogène et le monoxyde de carbone dans le gaz de synthèse, ce qui peut être avantageux pour certaines applications en aval. De plus, les systèmes ATR sont généralement capables de réagir plus rapidement aux changements dans les demandes de production. Pour ces raisons et d'autres encore, les nouvelles installations de production d'hydrogène bleu utilisent généralement l'ATR.

La décision d'opter pour le reformage du méthane à la vapeur ou le reformage autothermique pour la production d'hydrogène bleu se résume à une évaluation complète de plusieurs facteurs, y compris, mais sans s'y limiter :

• Échelle de production souhaitée
• Pureté de l'hydrogène requise
• Composition de la charge d'alimentation en gaz naturel disponible
• Accès au capital
• Coûts d'exploitation prévus
• Paysage économique mondial ou régional

Une discussion sur l'hydrogène bleu est incomplète si l'on n'aborde pas la question du captage, de l'utilisation et du stockage (CCUS). Ces process complexes commencent par la séparation du dioxyde de carbone des autres gaz présents dans un flux d'échappement, qui repose souvent sur des technologies basées sur l'absorption utilisant par exemple des amines qui capturent sélectivement le carbone.

Une fois capté, le dioxyde de carbone subit une compression et une liquéfaction jusqu'à un état supercritique, ce qui permet un transport efficace – généralement par pipeline – vers des formations géologiques appropriées en vue d'un stockage à long terme. Les sites de stockage potentiels comprennent les réservoirs de pétrole et de gaz épuisés, les aquifères salins profonds et les dômes de sel.

Si les sites de captage et de stockage du carbone (CSC) offrent un moyen de gérer les émissions, leur sécurité à long terme suscite des interrogations. Même de petites fuites peuvent potentiellement affecter les écosystèmes voisins et les eaux souterraines.

L'impact environnemental de l'hydrogène bleu par rapport à l'hydrogène vert, qui est produit à partir d'énergies renouvelables, fait l'objet d'un débat permanent. Certains suggèrent que le fait de se concentrer sur l'hydrogène bleu pourrait retarder la transition vers les énergies renouvelables et l'hydrogène vert.

D'un point de vue financier, les coûts associés au CSC peuvent rendre les technologies hydrogène bleu plus chères que l'hydrogène gris. Toutefois, ces coûts diminuent progressivement. En outre, des facteurs tels que les taxes sur le carbone pour l'hydrogène gris, les incitations gouvernementales pour l'hydrogène bleu et les systèmes de plafonnement et d'échange pourraient rendre l'hydrogène bleu, voire vert, plus viable sur le plan économique.

Avec l'expansion des infrastructures hydrogène, l'hydrogène bleu joue un rôle de transition essentiel en accompagnant le déploiement à court terme, les gains d'efficacité et l'innovation continue à mesure que l'hydrogène vert mûrit. SMR et ATR restent les méthodes de production les plus viables sur le plan commercial, en offrant un équilibre entre coûts, réduction des émissions et maturité technologique. Les progrès en cours dans le CCUS améliorent la performance de captage et l'intégrité du stockage, même si des investissements et mises en œuvre importants restent nécessaires pour que l'hydrogène bleu puisse remplacer concrètement l'hydrogène gris.

Au fur et à mesure que l'image globale de l'énergie évolue, les progrès s'appuient sur une stratégie pragmatique et axée sur la technologie, qui reconnaît les compromis parmi les variantes d'hydrogène et privilégient les solutions évolutives à long terme. La transition énergétique nécessitera de multiples couleurs de l'hydrogène, des sources d'énergie renouvelables, une électrification élargie et même une utilisation efficace des ressources fossiles avec réduction des émissions. La mise en place d'une combinaison de solutions adéquate pour chaque application sera essentielle pour fournir un système énergétique à faible émission de carbone fiable et compétitif.

Au-delà des considérations environnementales et économiques, le déploiement réussi de la production d'hydrogène bleu dépend d'un réseau sophistiqué de systèmes d'instrumentation et de contrôle fonctionnant de concert pour garantir la fiabilité, l'efficacité et la sécurité du process. Les technologies SMR et ATR nécessitent de vastes réseaux de capteurs pour surveiller en permanence les paramètres du process et fournir des données en temps réel à des systèmes de contrôle élaborés afin d'optimiser la production, de réduire les déchets et d'atténuer les risques.

Les capteurs de température, essentiels pour maintenir des conditions de réaction optimales et prévenir la dégradation des catalyseurs, fonctionnent en tandem avec les capteurs de pression qui garantissent des conditions sûres dans les réacteurs et les pipelines. Les débitmètres documentent de manière fiable le mouvement des gaz et des liquides tout au long du process, ce qui permet un contrôle précis des ratios de réactifs et des flux de produits. Les débitmètres sont également essentiels pour tous les points de transactions commerciales.

En parallèle, les analyseurs de gaz – par exemple les analyseurs Raman et la spectroscopie d'absorption infrarouge par diode laser accordable (TDLAS) – permettent de contrôler la composition du flux et d'autres éléments en divers points, ce qui permet aux opérateurs de valider l'efficacité du process, de détecter les problèmes dès leur apparition et de garantir la pureté de l'hydrogène.