La production d'hydrogène, ou plus exactement de dihydrogène, est en grande majorité réalisée par extraction chimique depuis des combustibles fossiles, principalement du méthane, du charbon et de coupes pétrolières. La production de dihydrogène par cette voie présente l'avantage d'un coût compétitif, mais l'inconvénient d'être à l'origine d'émissions de non biogénique, qui dépassent généralement dix kilogrammes de par kilogramme d'hydrogène produit.
L'électrolyse de l'eau, très marginale (0,04 % de la production totale en 2021), produit un hydrogène dont l'empreinte carbone est due uniquement au mode de production de l'électricité nécessaire. Le procédé a un rendement énergétique faible, nécessite une eau déminéralisée et des électrolyseurs coûteux dont la fabrication et le recyclage ne sont pas neutres en carbone, mais il est envisagé pour utiliser de l'énergie électrique fatale d'un excès de production éolienne ou photovoltaïque par rapport à la demande.
Le dihydrogène est un vecteur énergétique majeur dans beaucoup de bactéries : il y est un sous-produit de la fermentation et de la fixation de l'azote. De façon artificielle, il peut être produit par réduction chimique ou par la chaleur (thermolyse) ; ces autres méthodes sont moins propices à la production industrielle, voire encore expérimentales. La découverte et le développement de méthodes moins coûteuses de production d'hydrogène en masse permettraient une « économie hydrogène ».
Histoire
Au , l'alchimiste Paracelse entrevoit un gaz insaisissable, sans la moindre odeur ni coloration, qui se crée quand le vitriol fumant (ancien nom de l’acide sulfurique) rencontre du fer. Il ne peut comprendre ce que ce gaz représente ni même de quoi il est composé. Un siècle plus tard, Robert Boyle parvient à recueillir du dihydrogène, mais ne le distingue pas de l’air ordinaire..
En 1603, Théodore de Mayerne l’enflamme et John Mayow, vers la fin du , le distingue de l’air. Enfin, au commencement du , Nicolas Lémery en constate aussi l’inflammabilitéCarilian-Goeury et Dalmont, Leçons de chimie élémentaire appliquées aux arts industriels et faites aux Ouvriers du ... aux écoles du gouvernement, , 1855 (lire en ligne)..
Ce n’est qu’en 1766 que le gaz est étudié par Henry Cavendish. En 1783, Antoine Lavoisier découvre que l’« air inflammable » de Cavendish, qu’il baptise hydrogène (du grec « formeur d’eau »), réagit avec l’oxygène pour former de l’eau.
La découverte de l’« air inflammable », comme on l’appelait alors, est donc ancienne. Théodore de Mayerne et Paracelse l’obtenaient par réaction entre l’« huile de vitriol » (de l’acide sulfurique) diluée et versée sur du fer ou du zincBuck, .. En 1870, le gaz produit pour les besoins des ballons à gaz n’utilise pas d’autre moyenJames Glaisher, Wilfrid de Fonvielle, Camille Flammarion et Gaston Tissandier, Voyages Aériens, 1870 (lire en ligne).. Au , le gros du dihydrogène requis est produit à partir du méthane présent dans le gaz naturel, par catalyse hétérogène..
Procédés
La production mondiale de dihydrogène représente de tonnes en 2021, dont 62 % provient du vaporeformage du méthane, 18 % de l'oxydation partielle du pétrole, 19 % de la gazéification du charbon, 0,7 % d'un de ces trois procédés avec captage et valorisation du et 0,04 % de l'électrolyse de l'eau, citant .. D'autres procédés sont largement minoritaires ou à l'état d'expérimentations, qui peuvent s'avérer prometteurs selon l'évolution relative des coûts des matières premières. Les procédés principaux consistent essentiellement à dissocier des hydrocarbures par une température élevée et l'adjonction de vapeur d'eau ou de dioxygène, éventuellement en présence d'un catalyseur ; les réactions ainsi entretenues donnent et , l'hydrogène provenant à la fois de l'eau et de l'hydrocarbure. Les émissions de de ces procédés atteignent, en 2021, de tonnes par an, soit environ 2 % des émissions mondiales
Le dihydrogène ainsi produit est dans sa grande majorité consommé localement.. Il entre en jeu dans la synthèse d'ammoniac comme engrais par le procédé Haber-Bosch (44 % de la consommation en 2015) et pour la conversion du pétrole lourd en fractions plus légères, par hydrocraquage (46 %) (mis à jour le )..
Classement par couleurs Les modes de production de l'hydrogène sont distingués par des noms de couleur..., variables selon les pays faute de consensus : hydrogène brun ou noir, produit par gazéification du charbon ; hydrogène gris, produit par vaporeformage du méthane (mode de production le plus utilisé) sans séquestration géologique du dioxyde de carbone ; hydrogène vert : au sens large, produit sans émission directe de gaz à effet de serre (incluant donc l'hydrogène jaune, rouge, bleu, turquoise, orange ou blanc, détaillés ci-dessous), au sens restreint, produit par électrolyse de l'eauL'hydrogène pourra-t-il verdir le transport lourd?, lesaffaires.com, .. Il est par exemple produit par électrolyse de l'eau à partir d'électricité renouvelable, par thermolyse de la biomasse. ou, selon la terminologie du plan de relance français de 2020, à partir d'électricité bas carbone (de source renouvelable ou nucléaire).. hydrogène jaune : produit par électrolyse de l'eau à partir d’électricité d’origine nucléaire., il est roseOlivier Daelen, « Cette centrale nucléaire britannique veut produire de l’hydrogène rose : une première en Europe », sur fr.businessam.be, 2 août 2021., ou violet si la méthode de production combine électricité et chaleur d'origine nucléaire.. ; hydrogène rouge : produit à partir du nucléaire (réacteurs VHTR à très haute température) par dissociation catalytique de l'eau à haute température ; hydrogène bleu : produit par conversion de combustibles fossiles avec capture et séquestration du dioxyde de carbone. ou, pour d'autres auteurs, à partir d'énergie bas carbone non renouvelable, par exemple par électrolyse de l'eau alimentée par l'énergie nucléaireOfficial CertifHy definitions (CertifHy 2016) Green and Blue Hydrogen, sur certifhy.ca (consulté le 19 janvier 2022). (soit lhydrogène jaune ci-dessus) ; hydrogène turquoise : extrait du méthane par pyrolyse, sans émission directe de . ; hydrogène orange : obtenu par réaction de l'eau avec les roches du substratum, qui offre la possibilité de séquestrer géologiquement du dioxyde de carbone dissous dans l'eau injectée. ; hydrogène blanc : hydrogène natif ou naturel...
Devant cette absence de consensus, les députés européens pointent la nécessité d'un accord sur une terminologie uniforme afin de, notamment, distinguer clairement l'hydrogène renouvelable, l'hydrogène à faible teneur en carbone et l'hydrogène d'origine fossile« Changement climatique: un plan pour l'hydrogène renouvelable et l'intégration des systèmes énergétiques », Parlement européen, 19 mai 2021..
Par vaporeformage d'hydrocarbures thumb|upright=1.75|Illustration des intrants et des produits du vaporeformage du gaz naturel, un processus qui produit de l’hydrogène et du , gaz à effet de serre qui peut être séquestré. thumb|upright=1.35|Schéma des intrants et des produits de la pyrolyse du méthane. Le dihydrogène qualifié dhydrogène gris est produit par vaporeformage du gaz naturel ou, moins souvent, du GPL ou du naphta, selon leur prix et leur disponibilité. Le rendement énergétique de conversion atteint 72-82 % (sur pouvoir calorifique inférieur) selon le procédé mis en œuvre.. Le vaporeformage du méthane fournit, en 2015, 49 % du dihydrogène produit dans le monde.
La méthode de conversion des hydrocarbures cause des rejets de gaz à effet de serre. Le vaporeformage du méthane rejette ainsi de 10 à de par tonne d’hydrogène produite. Étant donné que la production est concentrée dans un seul établissement, il est possible de séparer les gaz et de les séquestrer (l'hydrogène est alors qualifié dhydrogène bleu), par exemple pour les injecter dans une couche de pétrole ou de gaz naturel, mais les coûts de tels procédés et l'incertitude sur les risques de relargage du font qu'il ne sont que rarement mis en œuvre, dans les années 2010. Par exemple, un projet d'injection de dioxyde de carbone dans le a été lancé par la compagnie norvégienne StatoilHydro..
Réduction de la vapeur d'eau
La première étape est la réaction de vaporeformage proprement dit..
À haute température (, obtenue par combustion d'un quart du méthane.) et à pression modérée (), de la vapeur d'eau () réagit avec le méthane () sur un catalyseur au nickel (Ni) pour obtenir un mélange de monoxyde de carbone (CO) et de dihydrogène (), mélange connu sous le nom de « gaz de synthèse ».
Cette réaction endothermique absorbe d'énergie.
La chaleur nécessaire au processus est généralement fournie par combustion d'une partie du méthane.
Conversion du monoxyde de carbone
Du dihydrogène supplémentaire peut être récupéré par ajout d'eau, par le biais de la réduction de l'eau, dans la réaction du gaz à l'eau réalisée à environ :
Cette oxydation est exothermique, qui libère pour entretenir la réaction en cours.
Essentiellement, l'atome d'oxygène (O) est extrait de l'eau (vapeur) ajoutée pour oxyder le CO en .
Bilan Le bilan des deux réactions est alors une réaction endothermique :
Le gaz de synthèse obtenu contient 16 à 25 % de en volume.
Par oxydation partielle L'oxydation partielle peut s'effectuer sur du gaz naturel, des fractions plus lourdes du pétrole, du charbon ou de la biomasse, les charges solides étant alors gazéifiées. Le rendement énergétique de conversion atteint typiquement 53-67 % (sur pouvoir calorifique inférieur) selon le procédé mis en œuvre. Quelle que soit la charge, ce procédé implique alors un surcoût par rapport au vaporeformage du méthane.. Il est donc employé essentiellement dans quelques cas : pour fournir des gaz de synthèse avec un ratio /O particulier utile à la pétrochimie ; lorsque les hydrocarbures légers sont indisponibles ; pour détruire des résidus d'hydrocarbures lourds peu valorisables.
Le principe du procédé est similaire à celui du vaporeformage du méthane pour former également du gaz de synthèse, à ceci près que l'oxydation de l'hydrocarbure choisi est effectuée par du dioxygène au lieu d'eau, que la réaction bilan est exothermique, et qu'on n'a (généralement) pas recours à un catalyseur. Au lieu de celui-ci, les conditions sont plus contraignantes, la température () et la pression ( étant plus élevées..
Par électrolyse de l'eau
alt=|thumb|upright=1.35|Schéma montrant les intrants et les produits de l'électrolyse de l'eau, pour produire de l'hydrogène potentiellement sans émission de gaz à effet de serre.
L'électrolyse de l'eau est un procédé électrolytique qui décompose l'eau en dioxygène et dihydrogène grâce à un courant électrique. Environ 0,04 % du dihydrogène gazeux produit dans le monde est produit par électrolyse.
Le rendement énergétique de l'électrolyse de l'eau atteint 40 %, sur pouvoir calorifique inférieur (PCI), ou 80 % sur pouvoir calorifique supérieur (PCS), c'est-à-dire si toute la chaleur latente de la vapeur produite est valorisée en sus de l'hydrogène.. Ces valeurs se réfèrent seulement au rendement de la conversion de l'énergie électrique en énergie chimique de l'hydrogène ; l'énergie perdue lors de la génération de l'électricité et du traitement de l'eau n'est pas comptabilisée. L'eau pure nécessaire au procédé est en effet obtenue par osmose inverse, procédé coûteux en énergie et émetteur de .
Une électrolyse alimentée en électricité décarbonée, d'origine renouvelable (hydroélectricité, éolien, solaire photovoltaïque) ou nucléaire, permettrait de réduire les émissions de gaz à effet de serre, par rapport au vaporeformage ou à l'électrolyse alimentée en électricité carbonée. Selon la source d'énergie utilisée, l'hydrogène est qualifié dhydrogène vert dans le cas d'énergie renouvelable, ou dhydrogène jaune dans le cas d'un apport par le nucléaire« Les couleurs de l'hydrogène français au cœur d'un débat avec l'Allemagne », L'Usine nouvelle..