Production d'hydrogène

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 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 ».

Sommaire 1 Histoire 2 À partir des hydrocarbures 2.1 Réduction de la vapeur d'eau 2.2 Monoxyde de carbone 2.3 Procédé de Kværner 2.4 Charbon 2.5 Production d'hydrogène par fermentation 3 À partir de l'eau 3.1 Production biologique 3.2 Électrolyse 3.2.1 Fractionnement photoélectrochimique de l'eau 3.2.2 Électrolyse à haute température 3.3 Production chimique 3.4 Production thermochimique 4 Autres méthodes 5 Références 6 Voir aussi 7 Liens externes 8 Sources

Histoire

À partir des hydrocarbures

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 a été lancé par la compagnie norvégienne StatoilHydro.

Réduction de la vapeur d'eau

Généralement le dihydrogène est produit par vaporeformage par le gaz naturel, mais la charge peut aussi être du GPL ou du Naphta. A haute température (700-1100 °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

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.

Procédé de Kværner

Le procédé de Kvaerner (en) ou du noir de carbone et hydrogène processus (CB & H) ^[1] 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_2n+2), 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.^{[réf. nécessaire]}

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 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 peuvent être employées pour convertir de petites molécules d'acides gras en hydrogène^[2]. L'Électrohydrogenèse (en) est utilisée dans pile à combustible microbiennes.

À 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 le dihydrogène.

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

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 l'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 ou presque. Si cette méthode n'a pas été largement utilisée dans le passé c'est qu'en général, l'électricité consommée est plus précieuse que le dihydrogène produit, mais l'importance de l'électrolyse accroit à mesure que la population humaine et la pollution augmentent, que des ressources non renouvelables (composés de carbone) se réduisent et que les gouvernements 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 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

Lorsque l'approvisionnement en énergie est sous forme de chaleur (solaire thermique, ou nucléaire), la meilleure voie de production du dihydrogène 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 (le dihydrogène), pouvant en augmenter l'efficacité d'environ 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 Atomics (en) prédit que de le dihydrogène produit dans les réacteurs à très haute température (High Temperature Gas Cooled Reactor - HTGR) coûterait 1,53$ le kg. En 2003, le vaporeformage produisait du dihydrogène à 1,40$ le kg. En 2005, avec l'envolée du prix du pétrole, le prix de du dihydrogène était de 2,70$ le 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.

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 de dihydrogène aux États-Unis pour que tous les tous les jours de pointe puissent 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 assurer à la fois la sécurité et la répartition de la distribution.

Production chimique

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^[3]. 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 (3 $ kg-1)^[4]. Les réactions de l'aluminium avec les solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium sont les suivantes^[5]:

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 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 hydroxydes^[6]. 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^[7], 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 kilo d'aluminium produit environ 4 kWh d'énergie sous forme de dihydrogène^[8] 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 wt% H2, qui est une valeur significative à l'accomplissement des objectifs de recherche du Département de l'Énergie des États-Unis^[9]. Cette capacité gravimétrique d'hydrogène peut être augmentée en utilisant une combinaison d'aluminium et de NaBH4^[10].

Production thermochimique

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 pré-sélectionnés. Certains des plus prometteurs comprennent:

• Cycle soufre-iode (S-I)
• chlorure de cérium (Ce-Cl)
• chlorure de fer (Fe-Cl)
• iodure de magnésium (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, la réaction qui résume est celle de la décomposition de l'eau:

Tous les autres produits chimiques utilisés sont recyclés.

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

Autres méthodes

• La recherche en nanotechnologie sur la photosynthèse peut conduire à une plus grande efficacité de production solaire d'hydrogène, telle la cellule photoélectrochimique.
• Radicale, la théorie de la terre hydridique (en) suggère que de grandes quantités d'hydrogène pourrait exister dans le manteau de la Terre.

Références

Voir aussi

• en:Ammonia production
• en:Hydrogen economy
• en:Hydrogen tank
• 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
• Ressources sur les centrales à 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)