L'économie verte de l'hydrogène du futur
La production d'énergie à partir d'hydrogène est un thème d'avenir. L'hydrogène vert en particulier, produit à partir d'énergie provenant de sources renouvelables, présente un grand potentiel. Il existe désormais de nombreuses nouvelles technologies permettant d'extraire, de transporter et d'utiliser ce vecteur d'énergie.
L'hydrogène vert est extrêmement important pour atteindre les objectifs de Paris en matière de protection du climat. Il est produit par la technologie Power-to-Gas. L'hydrogène vert est produit par électrolyse à l'aide d'électricité issue de sources d'énergie renouvelables telles que le vent ou le soleil. L'hydrogène vert est donc exempt de CO².
Les technologies de l'hydrogène sont différentes applications mécaniques ou chimiques pour l'utilisation de l'hydrogène. Elles doivent contribuer à réduire les gaz nocifs pour le climat comme le dioxyde de carbone ou le méthane. Les domaines d'application vont de la production industrielle à la production d'électricité et de chaleur, en passant par l'utilisation dans le transport de marchandises et la circulation. En outre, les énergies renouvelables peuvent être stockées de manière flexible à l'aide des technologies de l'hydrogène.
Technologies de production d'hydrogène
L'hydrogène vert doit être produit par électrolyse. Il existe différents types d'électrolyse, mais un électrolyseur se compose toujours de plusieurs cellules d'électrolyse alignées. L'énergie électrique provenant de sources renouvelables est ensuite utilisée pour forcer une réaction d'oxydoréduction et décomposer l'eau en ses différents composants, l'oxygène et l'hydrogène. L'hydrogène peut ensuite être stocké sous différentes formes.
L'électrolyse à haute température, en particulier, est une "technologie clé pour la production efficace d'hydrogène et de gaz de synthèse", selon la brochure Technologies de l'hydrogène du Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Elle offre certains avantages par rapport aux électrolyseurs alcalins et PEM. Le procédé ne nécessite par exemple pas de composants en acier inoxydable et permet la production directe de gaz de synthèse. Lors d'une électrolyse à haute température avec des cellules à oxyde solide (en anglais : Solid Oxide Electrolysis, en abrégé : SOE), les processus de conversion atteignent des températures de plus de 750 degrés Celsius. Pour ce faire, l'électrolyte est utilisé comme matériau céramique solide qui sépare les deux demi-cellules. Ensuite, l'eau arrive sous forme de vapeur dans les chambres de réaction.
Outre l'électrolyse à haute température, il existe également l'électrolyse alcaline et l'électrolyse à membrane d'échange de protons. L'électrolyse alcaline (AEL) est actuellement le procédé d'électrolyse le plus utilisé, car les coûts d'investissement sont faibles et la technologie est stable à long terme. L'AEL utilise un électrolyte liquide conducteur de OH.
L'électrolyse à membrane d'échange de protons (PEM) fonctionne à basse température et est une technologie relativement récente. Elle permet d'obtenir de l'hydrogène à partir d'eaux industrielles et minières. Le Fraunhofer IKTS a développé à cet effet le procédé Rodosan. L'avantage de la PEM réside dans le fait qu'elle peut réagir rapidement aux fluctuations de l'énergie ajoutée et qu'elle présente un bon comportement aux variations de charge. Dans ce cas, l'hydrogène est séparé en tant que produit de réaction utilisable lors du traitement électrochimique des eaux acides sulfuriques et sans sulfate dans les cellules d'électrolyse à membrane.
Technologies à faible émission de CO² pour l'utilisation de l'hydrogène
En tant que gaz de processus pour la fabrication de produits de base et de valeur, l'hydrogène vert peut faire en sorte qu'il n'y ait plus du tout d'émissions de CO². En effet, pour produire de l'acier, le minerai de fer doit être transformé en fonte. Pour ce faire, on utilise du coke dans le processus du haut fourneau. Pour rendre ce processus presque neutre pour le climat (réduction du CO² de plus de 95 pour cent), on peut utiliser de l'hydrogène à la place du gaz naturel dans les procédés de réduction directe. Selon le Fraunhofer IKTS, la méthode la plus appropriée est l'électrolyse à haute température. La chaleur résiduelle déjà présente peut alors être utilisée efficacement et le gaz de synthèse produit.
L'électrolyse à haute température est également adaptée à la synthèse de l'ammoniac. Actuellement, le gaz naturel est utilisé pour ce processus, ce qui génère de grandes quantités de CO². Si les émissions de CO² sont inévitables, il est possible de les utiliser comme source de carbone. Il est ainsi possible d'obtenir des cires pour l'industrie cosmétique ou des carburants pour le transport aérien. La synthèse Fischer-Tropsch permet de fabriquer des produits carbonés à partir de CO² et d'hydrogène. Toutefois, pour que cette technologie soit particulièrement efficace et performante, il faut la coupler avec le procédé de (co)électrolyse. Le procédé de co-électrolyse produit du gaz de synthèse, ce qui rend la fabrication de produits chimiques particulièrement efficace.
L'hydrogène vert sert également de vecteur énergétique dans les domaines de l'électricité, du chauffage et de la mobilité. Les chaudières au gaz naturel dans les bâtiments peuvent théoriquement fonctionner à l'hydrogène. En ce qui concerne la production d'électricité, l'hydrogène peut être transformé en électricité au moyen de piles à combustible par récupération d'énergie. Cela se fait par une combustion à froid qui provoque une réaction entre l'oxygène et l'hydrogène à l'intérieur de la pile à combustible. Le déchet de la tension électrique qui en résulte est de l'eau, de sorte qu'il n'y a pas d'émissions. Dans le secteur des transports, les véhicules, les bateaux et les trains fonctionnant à l'hydrogène sont un bon complément aux véhicules électriques. En outre, les carburants synthétiques à base d'hydrogène peuvent être utilisés, en particulier dans l'aviation et le transport de marchandises lourdes.
Dans le cadre du projet carinthien "H2 Carinthia", l'hydrogène vert doit même être utilisé deux fois : dans la production industrielle de puces électroniques chez Infineon et ensuite pour faire le plein des moyens de transport. L'hydrogène vert est extrait après la production et acheminé vers une installation PSA (Pressure Swing Absorption) dans la station-service d'eau, où il est purifié pour être utilisé dans les transports. En décembre 2022, les cinq premiers bus fonctionnant à l'hydrogène vert recyclé ont déjà été mis en service dans les transports publics de Carinthie.
Technologies de stockage et de transport de l'hydrogène vert
Pour que l'hydrogène soit transportable et puisse être utilisé ailleurs, il doit être stocké. Il s'agit là d'un défi de taille, car il s'agit d'une substance chimique légère et plutôt volatile. L'hydrogène peut être stocké sous différents états physiques, en surface dans des réservoirs ou sous terre. Sous forme liquide, l'hydrogène est stocké à des températures extrêmement basses (moins 553 degrés Celsius) dans des réservoirs cryogéniques isolés, ce qui entraîne une perte d'énergie importante. Les réservoirs cryogéniques doivent être très bien isolés thermiquement pour que l'hydrogène ne s'évapore pas.
L'hydrogène est stocké sous forme gazeuse, soit dans des réservoirs sous pression, soit dans des cavernes souterraines. Ce type de stockage est le plus souvent utilisé, car il garantit une bonne mobilité. Les stockages en caverne disposent justement d'un grand volume de stockage. De plus, ils ne nécessitent pas l'imperméabilisation de nouvelles surfaces. Il existe également des réservoirs d'hydrures métalliques, dans lesquels une grande quantité d'hydrogène peut être stockée dans des structures métalliques solides en treillis (par exemple des métaux ou du carbone) et libérée par chauffage. Le transport est toutefois rendu difficile par le poids élevé de l'hydrogène. En outre, l'hydrogène peut être absorbé dans des supports liquides comme l'huile (Liquid Organic Hydrogen Carrier). En raison des catalyseurs, une grande quantité d'énergie est toutefois perdue.
Le transport de l'hydrogène stocké s'effectue ensuite par exemple par camion, bateau ou train. Pour que cela se fasse dans le respect du climat, les moyens de transport doivent toutefois être électriques ou fonctionner à l'hydrogène vert. L'hydrogène peut également être transporté dans des gazoducs déjà existants ou nouveaux. L'infrastructure de gaz naturel est particulièrement intéressante à cet égard. L'hydrogène peut être ajouté au gaz naturel dans certaines proportions. Dans le parc chimique de Bitterfeld-Wolfen, des tuyaux en polyéthylène et des tuyaux composites métal-plastique sont également testés pour le transport d'hydrogène.
Source: www.ntv.de
