Production d'hydrogène : comment l'hydrogène est-il fabriqué et de quoi s'agit-il ?

L'hydrogène, source prometteuse d'énergie propre, prend une place de plus en plus importante, en particulier dans la perspective d'un avenir plus respectueux du climat. Mais vous êtes-vous déjà demandé ce qu'est réellement l'hydrogène et comment il est produit ? Dans cet article, nous examinons son origine, les technologies de production de l'hydrogène et ce qui fait de l'hydrogène un élément spécial.

En bref, l'hydrogène est un gaz incolore, inodore et insipide. Il a la réputation d'être l'élément chimique le plus simple et le plus répandu dans l'univers. L'hydrogène se compose de minuscules particules : des protons et des électrons.

Il est extrêmement réactif et peut se combiner avec d'autres éléments pour former des composés tels que l'eau. C'est un carburant puissant qui peut être utilisé pour générer de l'électricité et de la chaleur, et faire fonctionner des véhicules. En tant que source d'énergie propre, l'hydrogène peut réduire notre impact environnemental et contribuer à une alimentation en énergie durable

Il existe plusieurs technologies de production d'hydrogène, qui peuvent être utilisées en fonction des exigences spécifiques et des ressources disponibles. Voici les méthodes les plus courantes :
 

• Reformage à la vapeur du gaz naturel : il s'agit de la technologie la plus largement utilisée pour la production d'hydrogène à l'heure actuelle. Au cours de ce procédé, le gaz naturel, qui se compose principalement de méthane, est chauffé avec de la vapeur d'eau en présence d'un catalyseur. Le reformage de la vapeur peut être considéré comme la "décomposition" du gaz naturel.
  
  Lors de ce procédé, le méthane, présent dans le gaz naturel, réagit avec la vapeur d'eau, produisant de l'hydrogène (H2) et du monoxyde de carbone (CO). L'hydrogène obtenu est purifié et peut ensuite être utilisé comme carburant dans les véhicules, pour générer de l'électricité dans les piles à combustible ou dans diverses applications industrielles. Ce procédé est peu coûteux, mais il présente également des inconvénients. Du dioxyde de carbone est libéré en tant que sous-produit, ce qui a un impact sur l'environnement.

• Electrolyse de l'eau : lors de l'électrolyse, un courant électrique sépare les atomes d'hydrogène et d'oxygène présents dans l'eau. Un équipement appelé électrolyseur effectue le procédé d'électrolyse.

• Production d'hydrogène solaire : avec cette méthode, l'énergie solaire est utilisée à la place de l'énergie électrique pour effectuer le procédé d'électrolyse. L'électrolyse peut être réalisée soit grâce à la lumière directe du soleil, soit en concentrant le rayonnement solaire à l'aide de miroirs solaires ou de collecteurs. Cette nouvelle technologie pourrait être utilisée dans les pays où l'ensoleillement est suffisant et permettrait de produire de l'hydrogène de manière particulièrement rentable.

• Production d'hydrogène thermochimique (production biologique d'hydrogène) : certains micro-organismes, tels que des bactéries ou des algues, peuvent produire de l'hydrogène par fermentation ou photosynthèse. Cette méthode est encore en cours de développement, mais elle propose une source d'hydrogène durable et respectueuse de l'environnement. Cependant, les ressources limitées sont un inconvénient pour ce type de production.

Tous les procédés de production d'hydrogène ne se valent pas en termes de durabilité ou de respect de l'environnement. La durabilité de la production d'hydrogène dépend de la source d'énergie utilisée et des émissions de CO2 relâchées pendant la production. Afin de tirer le meilleur parti des avantages de l'hydrogène en tant que source d'énergie propre, il est très important d'utiliser des sources d'énergie renouvelables pour sa production.

L'utilisation d'énergies renouvelables telles que l'énergie solaire, l'énergie éolienne ou l'hydroélectricité peut réduire considérablement les émissions de CO2 au cours de la production d'hydrogène, ce qui le rend plus durable. C'est ainsi que de l'hydrogène respectueux de l'environnement est produit. Il s'agit d'un point important dans la perspective d'un avenir à faible émission de carbone et de la lutte contre le changement climatique.

L'électrolyse est le procédé le plus prometteur. Il permet de produire de l'hydrogène dans le respect de l'environnement, en particulier si l'électricité utilisée provient de sources d'énergie renouvelables. Ces technologies jouent un rôle important dans l'émergence de l'hydrogène propre comme source d'énergie durable pour diverses applications. Nous avons passé en revue les différentes technologies et avons répertorié les avantages et les inconvénients de chacune d'entre elles.

L'électrolyse PEM, également appelée électrolyse à membrane échangeuse de protons, sépare les atomes d'hydrogène et d'oxygène présents dans l'eau à l'aide d'une membrane en polymère et d'un courant électrique.

Avantages :

• Démarrage et adaptation rapides aux charges variables
• Haut rendement en fonctionnement à charge partielle
• Température de fonctionnement basse (50 à 80 °C), réduisant l'utilisation de matériaux coûteux
• Taille compacte et intégration facile dans les systèmes existants
• Niveau élevé de maturité technologique (TRL 7-8)

Inconvénients :

• Sensible aux impuretés de l'eau, nécessite donc un prétraitement de l'eau
• Durée de vie limitée de la pile à combustible PEM (environ 10 000 heures de fonctionnement)
• Coûts plus élevés par rapport à l'électrolyse alcaline

Lors de l'électrolyse alcaline, les atomes d'hydrogène et d'oxygène présents dans l'eau sont séparés à l'aide d'un électrolyte alcalin, généralement une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium.

Avantages :

• Réduction des coûts par rapport à l'électrolyse PEM
• Résiste aux contaminants dans l'eau
• Longue durée de vie de la cellule électrolytique (environ 40 000 à 80 000 heures de fonctionnement)
• Niveau de maturité technologique le plus élevé (TRL 8-9)

Inconvénients :

• Vitesse de réaction plus lente par rapport à l'électrolyse PEM
• Températures de fonctionnement plus élevées (70 à 100 °C), entraînant une consommation d'énergie plus élevée
• Intégration plus difficile dans les systèmes existants en raison des différents paramètres de fonctionnement

SOEC est l'acronyme de Solid Oxide Electrosis Cell (cellule d'électrolyse à oxyde solide). Il s'agit d'une cellule électrolytique à haute température qui sépare les atomes d'hydrogène et d'oxygène présents dans l'eau à des températures élevées, en utilisant des oxydes solides comme électrolyte.

Avantages :

• Rendement et récupération de chaleur élevés grâce à des températures de fonctionnement élevées (800 à 1 000 °C)
• Flexibilité dans l'utilisation de différents carburants (par ex. vapeur, CO2)

Inconvénients :

• Températures de fonctionnement élevées nécessitant des matériaux coûteux et une isolation thermique spéciale
• Démarrage et adaptation lents aux charges variables
• Dimensions plus grandes et intégration complexe du système
• Peu d'expérience opérationnelle à grande échelle

AEM est l'acronyme d'Anion Exchange Membrane (membrane d'échange anionique). Il s'agit d'une technologie d'électrolyseur qui utilise une membrane spéciale, perméable aux ions chargés négativement, et qui sépare les atomes d'hydrogène et d'oxygène présents dans l'eau à l'aide du courant électrique.

Avantages :

• Réduction des coûts par rapport à l'électrolyse PEM
• Résiste aux contaminants dans l'eau
• Fonctionnement à des températures plus basses (environ 60 à 80 °C)

Inconvénients :

• Développement et commercialisation limités par rapport à l'électrolyse PEM et alcaline
• Difficultés potentielles pour la stabilité à long terme de la membrane
• Aucune installation à grande échelle disponible. Faible niveau de maturité technologique.