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Produire l'hydrogène

Présent en abondance dans le Soleil, l’hydrogène gazeux est quasiment absent de notre atmosphère. Il faut donc l’extraire de molécules qui le contiennent, comme l’eau ou les composés organiques.

Aujourd’hui, il existe plusieurs filières technologiques qui permettent de produire de l’hydrogène à partir de différentes sources.

La principale filière utilise des composés organiques principalement constitués d’hydrogène et de carbone, comme le gaz naturel, le charbon ou la biomasse. Elle représente actuellement plus de 90% de la production d’hydrogène.

La deuxième filière produit de l’hydrogène par décomposition de l’eau. Elle utilise soit un courant électrique pour l’électrolyse, soit une succession de réactions chimiques pour les cycles thermochimiques qui permettent de « casser » les molécules d’eau afin d’obtenir de l’hydrogène.

Une autre filière utilise la lumière du Soleil. Cette méthode de production de l’hydrogène est encore au stade de la recherche : des études sont menées en laboratoire pour produire de l’hydrogène grâce à des algues microscopiques ou des bactéries.

À partir de composés organiques

L’hydrogène, associé au carbone, est le principal constituant de tous les composés organiques dont les hydrocarbures et la biomasse font parties.
Biomethane production : sustainable energy
Future biogas, Spridlington, Royaume-Uni

Extraire l’hydrogène de composés organiques nécessite de rompre les solides liaisons entre le carbone et l’hydrogène. Pour cela, une succession de réactions chimiques à haute température, souvent en présence de catalyseurs, est utilisée.

Une première technologie est le reformage, qui consiste à faire réagir du méthane avec de l’eau pour obtenir un gaz de synthèse contenant de l’hydrogène. C’est la technologie majoritairement utilisée dans la production industrielle d’hydrogène. Les sources sont le gaz naturel ou le biogaz.

La gazéification est un autre procédé permettant de transformer un composé solide en gaz riche en hydrogène. Les sources sont principalement le charbon et la biomasse.

Ces technologies de production de l’hydrogène sont émettrices de CO2. L’utilisation de sources renouvelables comme la biomasse, le biogaz (issu de la biomasse ou des déchets) ou le couplage avec les technologies de captage et stockage du CO2 permettent d’améliorer le bilan carbone de la production.

Reformage du gaz naturel

Le gaz naturel, essentiellement composé de méthane (CH4), contient du soufre qu’il faut supprimer lors d’une étape d’hydrodésulfuration. Une fois purifié, le méthane réagit avec de la vapeur d’eau pour former un gaz de synthèse contenant du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (H2). Ensuite, la vapeur d’eau réagit avec le monoxyde de carbone du gaz de synthèse pour former du dioxyde de carbone (CO2) et plus d’hydrogène. Ce mélange, riche en CO2 et en H2, est ensuite purifié pour obtenir de l’hydrogène à environ 99,9%.

Par décomposition de l’eau

Séparer les composants de la molécule d’eau permet de produire de l’hydrogène. La molécule d’eau (H2O), est composée de deux atomes d’hydrogène (H) et d’un atome d’oxygène (O). Pour produire l’hydrogène, il est nécessaire de casser les liaisons de cette molécule. Différents procédés existent, utilisant un courant électrique ou une succession de réactions chimiques.

SUR TERRE, LA SOURCE LA PLUS IMPORTANTE D’HYDROGÈNE EST L’EAU QUI RECOUVRE PLUS DE 70% DE SA SURFACE.

Électrolyse de l’eau

La molécule d’eau, soumise à un courant électrique au travers de deux électrodes, se dissocie en oxygène et hydrogène gazeux : c’est l’électrolyse. Le courant électrique dissocie la molécule d’eau en ions hydroxyde (OH)- à la cathode et en protons H+ à l’anode. Les protons acceptent des électrons dans une réaction d’oxydation en formant de l’hydrogène gazeux.

L’électrolyse en elle-même ne dégage aucun CO2. Mais, dans un calcul global, il faut tenir compte de la production d’électricité. Dans le cas où l’électricité utilisée est produite à partir de sources qui n’émettent pas de CO2 (énergies renouvelables, etc.), l’hydrogène sera produit sans aucune émission de gaz à effet de serre. Cette méthode est généralement utilisée pour produire de faibles volumes d’hydrogène ou à proximité de sources électriques à faible coût (hydroélectricité). Actuellement, de nombreuses recherches sont effectuées pour améliorer le rendement de l’électrolyse. Une voie d’amélioration est l’électrolyse à haute température de la vapeur d’eau.

L’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température utilise moins d’énergie, car la réaction se déroulant entre 700°C et 1000°C voit sa cinétique nettement améliorée. Cette technologie peut par exemple être couplée à un ensemble de miroirs solaire qui concentrent les rayons pour atteindre ces températures ce qui permettrait de produire de l’hydrogène en émettant pratiquement pas de gaz à effet de serre.

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cH2ange - Peut-on stocker l'énergie solaire et éolienne ?

cH2ange est une initiative sur les réseaux sociaux portée par le groupe Air Liquide, centrée autour de la place de l’hydrogène dans la transition énergétique. Soyez vous aussi acteurs du changement en rejoignant cH2ange.
 
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Les cycles thermochimiques

Les cycles thermochimiques mettent en jeu le phénomène de décomposition de l’eau en hydrogène et en oxygène qui s’effectue spontanément à très haute température. Cette décomposition peut être réalisée à des températures moindres grâce à des cycles de réactions chimiques.

Cette méthode de production d’hydrogène est au stade de la recherche. Elle devrait permettre de produire de l’hydrogène en limitant les émissions de gaz à effet de serre.

Par photosynthèse

Produire de l’hydrogène uniquement à partir de lumière et d’eau pourrait relever de la science-fiction. Or, différents micro-organismes produisent naturellement de l’hydrogène grâce à la lumière lors de la photosynthèse.

C’est le cas par exemple de certaines algues vertes unicellulaires ou de certaines cyanobactéries, qui possèdent l’avantage de produire de l’hydrogène à partir de l’énergie solaire en utilisant juste de l’eau.

Cette méthode de production d’hydrogène évite tout dégagement direct de gaz à effet de serre. Aujourd’hui, elle est au stade du laboratoire, les chercheurs essayent de comprendre, de copier et d’optimiser ce processus naturel en vue d’une éventuelle industrialisation.

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