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RAPPORT D’ÉTUDE 10/06/2008 N° DRA-08-95313-07833B Les techniques de production

RAPPORT D’ÉTUDE 10/06/2008 N° DRA-08-95313-07833B Les techniques de production de l’hydrogène et les risques associés REF. : DRA-08-95313-07833B Page 1 sur 52 Les techniques de production de l’hydrogène et les risques associés Verneuil en Halatte Oise Client: MEEDDAT Liste des personnes ayant participé à l’étude : D. TIGREAT REF. : DRA-08-95313-07833B Page 2 sur 52 PRÉAMBULE Le présent rapport a été établi sur la base des informations fournies à l'INERIS, des données (scientifiques ou techniques) disponibles et objectives et de la réglementation en vigueur. La responsabilité de l'INERIS ne pourra être engagée si les informations qui lui ont été communiquées sont incomplètes ou erronées. Les avis, recommandations, préconisations ou équivalent qui seraient portés par l'INERIS dans le cadre des prestations qui lui sont confiées, peuvent aider à la prise de décision. Etant donné la mission qui incombe à l'INERIS de par son décret de création, l'INERIS n'intervient pas dans la prise de décision proprement dite. La responsabilité de l'INERIS ne peut donc se substituer à celle du décideur. Le destinataire utilisera les résultats inclus dans le présent rapport intégralement ou sinon de manière objective. Son utilisation sous forme d'extraits ou de notes de synthèse sera faite sous la seule et entière responsabilité du destinataire. Il en est de même pour toute modification qui y serait apportée. L'INERIS dégage toute responsabilité pour chaque utilisation du rapport en dehors de la destination de la prestation. Rédaction Vérification Approbation NOM TIGREAT Delphine DUPONT Laurent KORDEK Marie-Astrid DEMISSY Michel Qualité Ingénieur de l’Unité Procédés et Energie Propres et Sûrs Direction des Risques Accidentels Responsable de l’Unité Procédés et Energie Propres et Sûrs Direction des Risques Accidentels Déléguée appui à l’administration Direction des Risques Accidentels Responsable du Pôle Substances et Procédés Direction des Risques Accidentels Visa REF. : DRA-08-95313-07833B Page 3 sur 52 TABLE DES MATIERES 1. GLOSSAIRE.....................................................................................................7 2. INTRODUCTION ..............................................................................................9 3. CONTEXTE ....................................................................................................11 4. LES TECHNIQUES DE PRODUCTION AU STADE INDUSTRIEL................15 4.1 Le vaporeformage .......................................................................................15 4.1.1 Charge de vaporeformage....................................................................... 15 4.1.2 Procédé de vaporeformage ..................................................................... 16 4.2 L’oxydation partielle ....................................................................................16 4.2.1 Charge d’oxydation partielle .................................................................... 16 4.2.2 Procédé d’oxydation partielle................................................................... 17 4.3 L’électrolyse de l’eau...................................................................................17 4.3.1 Principe de l’électrolyse de l’eau ............................................................. 17 4.3.2 Les procédés existants............................................................................ 18 4.3.2.1 Nature de l’électrolyte........................................................................ 18 4.3.2.2 Assemblage des cellules................................................................... 19 4.4 Purification de l’hydrogène..........................................................................19 4.4.1 Après vaporeformage .............................................................................. 19 4.4.1.1 Diminution de la teneur en dioxyde de carbone CO2......................... 20 4.4.1.2 Diminution des teneurs résiduaires en monoxyde et dioxyde de carbone ............................................................................................. 20 4.4.2 Après oxydation partielle ......................................................................... 20 4.5 Comparaison des rendements ....................................................................21 4.6 Cas du couplage direct avec une pile à combustible ..................................21 5. LA RECHERCHE ET DÉVELOPPEMENT DES PROCÉDÉS DE PRODUCTION DE L’HYDROGÈNE...............................................................23 5.1 La recherche et développement à partir des procédés existants ................23 5.1.1 Les développements des procédés de reformage................................... 23 5.1.1.1 Le reformage autothermique ............................................................. 23 5.1.1.2 Le reformage plasma ........................................................................ 25 5.1.1.3 Le reformage à sec du méthane........................................................ 26 REF. : DRA-08-95313-07833B Page 4 sur 52 5.1.1.4 Le reformage redox du méthane ....................................................... 27 5.1.1.5 Conclusion......................................................................................... 27 5.1.2 Les développements des procédés d’electrolyse .................................... 27 5.1.2.1 L’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température EVHT ............ 28 5.1.2.1.1Surchauffage de la vapeur d’eau..................................................... 28 5.1.2.1.2La membrane conductrice ionique .................................................. 29 5.1.2.1.3Les électrodes ................................................................................. 30 5.1.2.2 L’électrolyse de la vapeur d’eau à haute pression............................. 30 5.1.2.3 Autres types d’électrolyse.................................................................. 31 5.1.2.3.1Electrolyse haute température à anode dépolarisée ....................... 31 5.1.2.3.2Electrolyse de l’eau dans les liquides ioniques................................ 31 5.1.2.4 Conclusion......................................................................................... 31 5.2 La recherche et développement de nouveaux procédés............................ 32 5.2.1 Les cycles thermochimiques.................................................................... 32 5.2.1.1 Le cycle iode/soufre........................................................................... 32 5.2.1.2 Le cycle hybride Westinghouse......................................................... 34 5.2.1.3 Le cycle UT-3 .................................................................................... 34 5.2.1.4 Autres cycles thermochimiques......................................................... 35 5.2.1.4.1Basés sur le cycle UT-3................................................................... 35 5.2.1.4.2Basés sur les sulfates...................................................................... 35 5.2.1.4.3Compatibles avec l’utilisation de fours solaires ............................... 35 5.2.1.4.4Basse température .......................................................................... 35 5.2.2 Production biologique .............................................................................. 36 5.2.3 Production à partir des énergies renouvelables....................................... 37 5.2.3.1 Géothermie........................................................................................ 37 5.2.3.2 Solaire ............................................................................................... 38 5.2.3.2.1Solaire thermique ............................................................................ 38 5.2.3.2.2Photo-électrolyse............................................................................. 38 5.2.4 Production a partir de la biomasse .......................................................... 39 5.2.5 Conclusion............................................................................................... 40 6. RISQUES ASSOCIÉS.................................................................................... 41 6.1 Risque d’inflammation ou d’explosion ........................................................ 41 6.2 Risque mécanique à température et pression élevées............................... 42 6.3 Risque lié au caractére toxique ou corrosif des produits ............................ 42 REF. : DRA-08-95313-07833B Page 5 sur 52 6.4 Compatibilité des matériaux........................................................................42 6.5 Risque biologique........................................................................................43 6.6 Risque global ..............................................................................................43 6.7 Risque sociétal............................................................................................43 7. CONCLUSION................................................................................................45 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES.................................................................47 REF. : DRA-08-95313-07833B Page 7 sur 52 1. GLOSSAIRE PEMFC : Proton Exchange Membrane Fuel Cell – Pile à Combustible à Membrane Echangeuse de Proton Nm3/h : Normo m3/h, i. e. dans les conditions normales de température et de pression (273K, 1 013 mbars) NADPH : Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate – coenzyme d’oxydoréduction intervenant dans le métabolisme REF. : DRA-08-95313-07833B Page 9 sur 52 2. INTRODUCTION Le présent rapport vise à présenter l’état des lieux des connaissances et des pratiques industrielles dans le domaine de la production de l’hydrogène. Dans le cadre de la mission d’appui aux pouvoirs publics de l’INERIS (programme 181), cette synthèse met en évidence les axes de sécurité à étudier ainsi que les procédés qui demanderont probablement une attention particulière dans l’avenir. REF. : DRA-08-95313-07833B Page 11 sur 52 3. CONTEXTE Le secteur de l’énergie est aujourd’hui confronté à plusieurs défis majeurs : - une hausse de la demande mondiale d’énergie ; d’après l’Agence Internationale de l’Energie (AIE)[1], elle serait en moyenne de 1,6%/an dans le monde d’ici à 2030. - cette hausse est combinée à la nécessité de fournir de l’énergie à une part importante de la population mondiale qui y a peu ou pas accès. On considère par exemple que 2 milliards d’individus n’ont pas accès à l’électricité. - une raréfaction, à terme, de certaines énergies primaires ; les réserves de pétrole et de gaz couvrent encore respectivement plus de 40 et 65 années de production mondiale selon l’AIE. On observe en parallèle la dépendance quasi exclusive des transports envers les carburants fossiles. - une accélération du réchauffement climatique, à laquelle contribuent de façon importante les émissions de gaz à effet de serre par le secteur énergétique et les transports. Les modèles climatiques prévoient d'ici la fin de ce siècle un réchauffement probable de la planète d'environ 1,8 à 4° C d'ici 2100, voir jusqu’à 6,4° C dans les hypothèses extrêmes. Le recours à l’hydrogène (H2) comme vecteur énergétique est l’une des solutions envisagées pour l’avenir énergétique. L’hydrogène est un vecteur énergétique dans le sens où bien que l’hydrogène (H) soit l’un des éléments les plus abondants sur Terre, il n’est pas disponible à l’état pur dans la nature. On ne le trouve que sous forme combinée (dans l’eau H2O, dans les hydrocarbures CnHm, etc…). Il est donc nécessaire de produire l’hydrogène, donc de dépenser de l’énergie pour cela, avant de pouvoir l’utiliser pour la production d’énergie. On parle donc de vecteur énergétique et non pas de source d’énergie. L’hydrogène peut être produit à partir de nombreuses sources : - eau - biomasse - hydrocarbures Les modes de production sont également variés : - électrolyse - thermolyse - vaporeformage REF. : DRA-08-95313-07833B Page 12 sur 52 L’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique permet d’obtenir de l’énergie sans production de gaz à effet de serre. De même, selon le mode de production utilisé, il est possible d’obtenir l’hydrogène sans production de gaz à effets de serre ce qui permet de réaliser une chaîne d’approvisionnement en énergie propre. Enfin, l’hydrogène est déjà une matière de base dans l’industrie chimique et pétrochimique. Il peut être fabriqué spécifiquement pour répondre aux besoins d’une industrie ou être un sous-produit dans une autre fabrication (fabrication d’éthylène ou de chlore par exemple). Les utilisations industrielles de l’hydrogène sont principalement la fabrication d’ammoniac, qui sert de matière première pour l’industrie des engrais, mais aussi, bien que dans une moindre mesure, du méthanol ou pour le raffinage du pétrole et la désulfuration des carburants. Il est également utilisé dans l’industrie agroalimentaire (hydrogénation de graisses ou de sucre), la pharmacologie, l’électronique (fabrication des semi-conducteurs), l’industrie verrière et la métallurgie (traitement réducteur des métaux). Dans le cas particulier de l’industrie pétrolière, l’hydrogène est un sous-produit des réactions de crackage et de reformage mais il est aussi une matière première pour les réactions d’hydrocracking ou d’hydrotraitement. Le bilan hydrogène des raffineries est aujourd’hui négatif, c’est-à-dire qu’elles doivent produire spécifiquement de l’hydrogène pour assurer leur production dans le respect des normes existantes (taux de soufre par exemple). L’industrie pétrolière est la première consommatrice d’hydrogène Les besoins sont actuellement de 57 millions de tonnes par an, dont 51% pour la seule industrie pétrolière, et ils augmentent régulièrement au rythme de 5 à 10% par an en raison principalement de la croissance des pays émergents. La production actuelle d’hydrogène ne correspond qu’à 1,7% des besoins en terme de vecteur énergétique. Pour assurer en 2050 20% de la demande énergétique grâce à l’hydrogène, il faut multiplier sa production par 20. Afin de répondre à la demande, il serait donc nécessaire d’augmenter considérablement la production tout en assurant une production sans émission de gaz à effet de serre, ce qui uploads/Industriel/ techniques-prod-h2-web.pdf