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Dossier de veille – Production d’hydrogène – Procédés actuels et futurs, tendan

Dossier de veille – Production d’hydrogène – Procédés actuels et futurs, tendances dans le domaine de la recherche 2 Mars 2020 Production d’hydrogène – Procédés actuels et futurs, tendances dans le domaine de la recherche Sommaire P. 3 Rappel du contexte P. 4 Les différents procédés de production d’hydrogène P. 34 Tendances dans la recherche sur les différents procédés de production d’hydrogène (période 2015-2019) Résumé L’hydrogène est de plus en plus envisagé comme une solution alternative, complémentaire à la batterie, pour stocker de l’énergie et pallier l’intermittence des énergies renouvelables, pour alimenter des véhicules électriques à pile à combustible, pour la production stationnaire d’électricité et de chaleur (cogénération) et pour la décarbonation de l’industrie. La production d’hydrogène, à un coût compétitif et avec un procédé respectueux de l’environnement, est un enjeu clé pour le développement de cette filière émergente. Si les procédés de production d’hydrogène à partir d’hydrocarbures tels que le vaporeformage sont les plus employés industriellement aujourd’hui en raison de leurs maturités technique et économique, ils ont l’inconvénient d’être fortement émetteurs de gaz à effets de serre. L’électrolyse et notamment l’électrolyse alcaline est la solution la plus prometteuse à court terme pour remplacer largement les procédés de production à partir d’hydrocarbures en raison d’une maturité technique et économique élevée. Cependant, pour que l’électrolyse soit un procédé respectueux de l’environnement, il est indispensable que l’électricité utilisée dans le procédé soit d’origine renouvelable. Aussi, d’importants travaux de R&D sont-ils menés pour trouver des alternatives aux procédés d’obtention à partir d’hydrocarbures ou d’électrolyse alcaline. Citons notamment l’électrolyse PEM, l’électrolyse à oxyde solide, les procédés thermochimiques (cycle thermochimique, thermolyse, gazéification…), les procédés photoniques (photocatalyse, photo-électrolyse), les procédés biologiques (biophotolyse, procédés fermentaires)… Les différents procédés ainsi que leurs caractéristiques et degrés de maturités associés sont précisés dans une première partie. Dans une deuxième partie, une cartographie des tendances dans le domaine des publications scientifiques sur la thématique de la production d’hydrogène est réalisée. Elle confirme une forte tendance de R&D sur de nouvelles voies de production dont notamment le procédé photonique dit de photocatalyse et les procédés biologiques. La Chine est le pays qui publie le plus sur le sujet. 3 Mars 2020 Rappel du contexte L’hydrogène – un nouvel axe de veille important pour le Cetim à renforcer  L’hydrogène est de plus en plus envisagé comme une solution alternative, complémentaire à la batterie, pour stocker de l’énergie et pallier l’intermittence des énergies renouvelables, pour alimenter des véhicules électriques à pile à combustible, pour la production stationnaire d’électricité et de chaleur (cogénération) et pour la décarbonation de l’industrie.  Des grands industriels français tels qu’Air Liquide, Michelin, Faurecia, Plastic Omnium, EDF, Engie investissent très fortement dans cette filière émergente. L’investissement de ces grands donneurs d’ordre dans l’hydrogène doit inciter les entreprises mécaniciennes à s’intéresser à cette nouvelle filière. Le développement de l’hydrogène pourrait impacter, à divers degrés, un grand nombre de professions mécaniciennes : fabricants d’équipements fluidiques (pompes, robinets, compresseurs…), d’équipements de chaudronnerie (échangeurs, pipelines, réservoirs…), spécialistes en revêtements et traitement de surface, spécialistes de l’usinage de précision, fabricants d’engins mobiles, spécialistes en transmissions hydrauliques et pneumatiques…  Cette thématique a été traitée jusqu’à présent de manière diffuse et de manière globale. Le Cetim souhaite renforcer la veille autour de cette filière émergente par le suivi de salons/conférences Adhoc, webinars, visites de veille…  Il convient également de s’intéresser de manière plus fine à :  différents éléments de la chaine de valeur de l’hydrogène : production hydrogène, compression d’hydrogène, technologies de stockage d’hydrogène, technologies de conversion de l’hydrogène en énergie,  Différentes problématiques associées à l’hydrogène : étanchéité à l’hydrogène, fragilisation, purification, matériaux adaptés…  Aussi, ce dossier de veille fait-il une analyse du domaine spécifique de la production d’hydrogène. Les différents procédés de production d’hydrogène et leurs maturités associées sont précisés. Une cartographie des publications scientifiques sur la thématique de la production d’hydrogène est également effectuée. 4 Mars 2020 Les différents procédés de production d’hydrogène 5 Mars 2020 Production d’hydrogène - Rappel La production d’hydrogène – une thématique présentée de manière synthétique et non-exhaustive dans de précédents dossiers de veille Cetim Exemple : diapositive issue du dossier de veille « hydrogène vecteur énergétique du futur », décembre2018 Le présent document vise à détailler plus finement la thématique de la production d’hydrogène, élément clé de la chaine de valeur de l’hydrogène 6 Mars 2020 Production d’hydrogène - généralités Généralités Des technologies de production d'hydrogène sont disponibles commercialement, tandis que d’autres sont encore en cours de développement. Les diapositives suivantes passent en revue les technologies de production d'hydrogène à partir de combustibles fossiles et non fossiles ainsi que leurs niveaux de maturité. Dans l'état actuel, la majeure partie de l’hydrogène est encore produit à partir de ressources fossiles (plus de 95% de l’hydrogène) et trop peu à partir d’électrolyse de l'eau alors que la maturité technique et économique de celle-ci devient élevée. D’autres procédés à plus ou moins long terme sont également en cours de développement et offrent des perspectives intéressantes en termes de respect de l’environnement : procédés biologiques, photoniques, thermochimiques… REF01 : El-Shafie, M., Kambara, S. and Hayakawa, Y. (2019) Hy-drogen Production Technologies Overview. Journal of Power and Energy Engineering, 7, 107-154. https://doi.org/10.4236/jpee.2019.71007 7 Mars 2020 Les grandes familles de procédés de production (1/2) Production d’hydrogène par reformage d’hydrocarbures  Vaporeformage Oxydation partielle Reformage autothermique Reformage plasma Production d’hydrogène par électrolyse de l’eau  alcaline membrane échangeuse de protons haute température à oxyde solide Production d’hydrogène par dissociation de l’eau à très haute température  Thermolyse Cycle thermochimique Procédés de production photoniques  Décomposition photocatalytique Photo électrolyse Production d’hydrogène à partir de biomasse  Gazéification Pyrolyse Production d’hydrogène par voie biologique  Biophotolyse directe et indirecte Photo-fermentation Fermentation sombre  Fermentation séquentielle Fermentation combinée Tableau de synthèse des procédés REF01 : El-Shafie, M., Kambara, S. and Hayakawa, Y. (2019) Hy-drogen Production Technologies Overview. Journal of Power and Energy Engineering, 7, 107-154. https://doi.org/10.4236/jpee.2019.71007 8 Mars 2020 Production d’hydrogène par reformage d’hydrocarbures Trois techniques principales de production d’hydrogène par reformage d’hydrocarbures sont disponibles. Tous ces procédés génèrent de l’hydrogène avec un faible degré de pureté et du CO. Ils nécessitent donc en aval des étapes de purification de l’hydrogène et de réaction de gaz à l’eau (WGS). Cette dernière permet de convertir le CO en CO2 et H2 en présence de vapeur. Leurs avantages et inconvénients sont précisés ci-après : Technologie Avantages Inconvénients Vaporeformage Expérience industrielle la plus importante ; Ne nécessite par d’oxygène ; T° de procédé la plus basse ; Meilleur rapport H2/CO pour la production d'H2 Émissions atmosphériques les plus élevées Nécessite une importante étape de désulfuration en amont Oxydation partielle Besoins en désulfuration réduits ; Ne nécessite pas l’emploi d’un catalyseur ; Faible dégagement de méthane Faible rapport H2/CO ; T° de procédés très élevées ; Formation de suie Reformage autothermique Plus faible température de fonctionnement que l’oxydation partielle ; faible dégagement de méthane Expérience industrielle limitée ; Nécessite de l’air ou de l’O2 9 Mars 2020 Production d’hydrogène par reformage d’hydrocarbures Procédé de vaporeformage Le procédé de vaporeformage consiste en la conversion d’hydrocarbures à l’aide de vapeur d’eau en hydrogène, oxydes de carbone (ainsi que méthane et mélange de vapeur non converti). Il nécessite en amont une étape de désulfuration et en aval de conversion du CO et de purification de l’hydrogène. Le combustible le plus largement utilisé est le gaz naturel mais il est possible de transformer également d’autres combustibles tels que le GPL, le kérosène, le naphta ou d’autres composés tels que des alcools (méthanol, éthanol…). Les réactions clés du procédé : REF01 : El-Shafie, M., Kambara, S. and Hayakawa, Y. (2019) Hy-drogen Production Technologies Overview. Journal of Power and Energy Engineering, 7, 107-154. https://doi.org/10.4236/jpee.2019.71007 Schéma de procédé du vaporeformage (source ) 10 Mars 2020 Production d’hydrogène par reformage d’hydrocarbures Procédé d’oxydation partielle La méthode d'oxydation partielle (POX) est une réaction exothermique qui transforme l’hydrocarbure par réaction avec de l’oxygène : En comparaison avec le procédé de vaporeformage, le rendement du procédé POX est faible. En outre, son coût d'exploitation est trop élevé en raison de l'utilisation de quantités élevées d'oxygène pur. 11 Mars 2020 Production d’hydrogène par reformage d’hydrocarbures Reformage autothermique Le reformage autothermique (ATR) est un procédé de production de gaz de synthèse à partir de l’oxydation partielle d’une charge d’hydrocarbures avec de l’oxygène et de la vapeur sur un lit de reformage catalytique. Il combine en fait l’oxydation partielle et le vaporeformage. Comparé au procédé d’oxydation partielle, un avantage significatif du procédé de réaction autothermique est qu’il peut produire une grande quantité d'hydrogène gazeux alors que le démarrage et l'arrêt sont très rapides. 12 Mars 2020 Production d’hydrogène par reformage d’hydrocarbures assisté de technologie plasma Technologie plasma pour l’hydrogène Un plasma est un gaz ionisé. Cette technologie a la capacité d’améliorer le rendement énergétique de production d’hydrogène par rapport aux autres techniques de production à partir d’hydrocarbures. Deux technologies plasma sont à noter : La technologie plasma thermique La technologie plasma non-thermique La technologie plasma thermique fonctionne à haute température. Pour cette raison, uploads/Industriel/ dv-procedes-de-production-d-x27-hydrogene-tendances-dans-le-domaine-de-la-recherche.pdf