HYDROGENE SYNTHESE

1.1.1  Les usages, le stockage et la distribution

L’hydrogène a deux utilisations :

La chimie : 99% de l’utilisation actuelle de l’hydrogène, dans le raffinage de produits pétroliers (51%), la fabrication d’ammoniac, essentiellement pour les engrais ( 34%), et d’autres applications chimiques  (15%).

La production d’énergie (1% de l’hydrogène), surtout dans les moteurs cryogéniques des troisièmes étages de fusées spatiales, plus une faible quantité pour des piles à combustible (PAC).    

L’essor de la PAC a été bloqué par son coût, principalement ceux de l’électrolyte en polymère et du platine. Ce métal rare pourrait être un obstacle rédhibitoire au développement du véhicule à PAC: si l’on devait équiper toutes les nouvelles voitures de PAC dans la technologie qui a prévalu jusqu’à présent, il faudrait multiplier par 15 la production mondiale de platine. Mais l’hydrogène jouit depuis quelques années d’un regain d’intérêt, qui s’est traduit par une intensification des recherches dans le monde entier, sur la PAC principalement. En France le CEA s’est massivement impliqué dans cette recherche, avec des résultats tangibles aujourd’hui. Le coût du platine dans la PAC est d’ores et déjà divisé par un facteur 8, avec des développements en cours, notamment en nanotechnologies, qui permettraient de gagner encore un facteur 10 … à condition de pouvoir financer l’industrialisation de ces nouvelles techniques. Il est vrai que pour la motorisation par hydrogène, il existe aussi une autre solution éprouvée cette fois, le moteur à explosion, solution compétitive avec le moteur à hydrocarbures. Cependant, la PAC (éventuellement couplée à une petite batterie au lithium) représenterait une solution bien plus séduisante, par son silence et sa souplesse, une vraie rupture « propre », qui serait un argument commercial fort, tout en ne changeant rien aux habitudes d’utilisation des véhicules actuels (plein en 3 minutes en self-service tous les 600 km). Aujourd’hui, le développement de la PAC est proche des exigences de son cahier des charges (notamment sur le plan du coût), et les études se poursuivent.

La meilleure solution pour le stockage de l’hydrogène parait être le réservoir en fibre de carbone avec liner en composite. Une étude financée par l’Europe (« Stor Hy ») a permis de développer une solution ayant satisfait aux spécifications du cahier des charges : un réservoir de 150 litres sous 700 bars (équivalent à 40 litres d’essence), coûtant actuellement 1000 €, avec un objectif de 300 € pour 2015.

Finalement, la grosse difficulté du développement du véhicule à hydrogène reste d’obtenir que l’un au moins de nos deux constructeurs nationaux (Renault et PSA) lance un programme dans ce sens.

Les faibles utilisations de l’hydrogène ne justifient pas la création d’un réseau national spécifique de distribution. Un petit réseau existe en France, exploité par Air Liquide, mesurant  240 km de long et desservant 14 usines (pétrochimie et chimie) au nord de de la France, en Belgique et dans la Ruhr, livrant 250 MNm³/an de H₂ (équivalent de 0,1% du pétrole importé en France annuellement). L’hydrogène, qui peut être mélangé jusqu’à 25% avec du gaz naturel (formant un gaz baptisé « hythane ») pourrait dans ce cas utiliser le réseau GDF qui dessert 77% des foyers français. On ne peut y injecter de l’hydrogène pur, qui réagirait avec les tuyauteries existantes, les rendant cassantes par hydruration (on peut noter que le « gaz de ville », en service jusque dans les années 60, contenait de l’hydrogène et de l’oxyde de carbone, par moitiés). Les besoins isolés d’hydrogène sont satisfaits avec des livraisons par camion d’hydrogène liquéfié, ce qui double le coût de distribution par rapport au gaz naturel.

1.1.2  La production

Compte tenu de ces volumes réduits, on ne peut parler d’un prix de marché de l’hydrogène. On s’intéressera donc plutôt à son coût de production.

1.1.2.1 La production d’hydrogène à partir de gaz naturel

L’hydrogène est actuellement produit en grande majorité à partir du gaz naturel. Deux modes de production sont possibles :

. le vaporeformage consiste à transformer les charges légères d’hydrocarbures en gaz de synthèse (mélange H2, CO, CO2, CH4 et H2O) par réaction avec de la vapeur d’eau sur un catalyseur au nickel. Cette transformation a lieu à haute température (840 à 920°C) et à pression modérée (de l’ordre de 20 à 30 bars). L’hydrogène est ensuite séparé des autres gaz et purifié.

. l’oxydation partielle. Ce procédé, moins utilisé que le vaporeformage, est à base de charges lourdes (fuel lourd, goudrons…). A haute température (de 900 à 1500°C) et à pression plus élevée (20 à 60 bars), en présence d’oxygène en tant qu’oxydant et  d’un modérateur de température (la vapeur d’eau), l’oxydation partielle des hydrocarbures conduit, à l’instar du vaporeformage, à la production de gaz de synthèse.

Le coût de production du vaporeformage est de 6,9 c€/kWh pour 2011. Il est proportionnel au prix du gaz naturel.

1.1.2.2 La production d’hydrogène par électrolyse

Deux grands procédés dominent le marché :

- L’électrolyse bipolaire alcaline (électrolyse traditionnelle avec des électrodes ayant une polarité différente sur chaque face) est de loin la plus utilisée. Son rendement actuel est de 63% (un rendement de 70% est prévu dans quelques années pour de grosses unités).

- un autre procédé, dit PEM (Proton Exchange Membrane) réalise la réaction inverse de la PAC …avec les mêmes inconvénients de coût donc. Il a un meilleur rendement que l’électrolyse bipolaire et permet de produire sous pression.

Le coût de production de l’hydrogène en électrolyse bipolaire dépend surtout du coût de l’électricité. Il est de 8,5 cme €/kWh au tarif vert EDF (tarif MT et HT), supérieur de 23% à celui de la production d’hydrogène à partir du gaz naturel.

Le coût du pétrole a augmenté (+15% par an entre 2006 et 2011). Comment se situe-t-il aujourd’hui par rapport à celui de l’hydrogène carburant ? Voici la comparaison hydrogène-pétrole sur l’équivalent hydrogène de 1 litre d’essence, soit 3107  litres d’hydrogène :

1 litre essence = 3107 litres H₂                                        8,67 kWh théoriques

Rendement 62,7 %                                                              13,67 kWh

Compression à 700 bars 10%                                            15,04 kWh

Tarif vert EDF moyen: 0,042 €/kWh                                 0,63 €/l

Amortissement électrolyseur et station                           0,11  €/l

Total Hors Taxes                                                                 0,74 €/l  soit 8,5 c€/kWh

 TVA                                                                                     0,12  €/l

TIPP                                                                                      0,61  €/l

Marge                                                                                   0,08  €/l

Total TTC                                                                             1,55  €/l

L’hydrogène produit par électrolyse est donc déjà à un prix voisin des carburants issus du pétrole. Il reste à trouver un moyen de le distribuer. Une solution simple et bien moins coûteuse qu’un réseau d’hydrogène spécialisé serait d’équiper d’électrolyseurs les stations-services (des électrolyseurs domestiques pourraient jouer un rôle d’appoint, ainsi que de petits électrolyseurs embarqués). Ceci impliquerait un renforcement de la production et du transport de l’électricité en cas de remplacement significatif des carburants pétroliers par de l’hydrogène.

Cas chiffré : remplacement des hydrocarbures par de l’hydrogène dans une station-service moyenne.

Débit de carburant journalier : 4000 litres (100 pleins de 40 litres).

Equivalent H₂    4000 * 3107 =  12 428 m³

Soit, par heure : 12 428/24 = 518 m³/heure

Modèle d’électrolyseur retenu : 500 Nm³/h

Coût de l’hydrogène fabriqué à partir de gaz naturel. Procédé : vaporeformage, coût 1600 €/tonne, soit 5,73 cme €/kWh en 2008 (source : AFH). Pour l’année 2011, le gaz a augmenté de 20% en 3 ans, ce qui donne en 2011 un coût de 6,88 cme €/kWh.

1 litre essence = 3107 litres H₂, énergie contenue : 8,67 kWh           

Energie d’1 Nm³ de H₂ : 8,67/3,107 = 2,79 kWh

Electrolyseurs du marché de 500 Nm³/h :

            Sources : IHT(Suisse) H₂ à 32 bars, 4,30 à 4,65 kWh/ Nm³ H₂                                                              ELT (Allemagne), 4,30 à 4,6  kWh/ Nm³ H₂

Consommation retenue  4,5 kWh/ Nm³, soit un rendement de 62,7%

Tarif Vert EDF (MT et HT). Moyenne pondérée par le temps annuel des 5 plages tarifaires (option base, version TLU, tarif en vigueur datant du 1/7/2011).

Amortissement station.

Prix d’achat d’un électrolyseur 500 Nm³/h : 3 millions de dollars US, durée de vie 50 ans (source : Angstrom Advanced Inc). Durée de vie retenue : 30 ans. Coût actualisé sur 30 ans (taux 5%) :177 500 $/an, soit 137 000 €/an. Autres coûts : 20 000 €/an. Total : 157 000 €/an.

Nombre d’équivalents litres d’essence vendus : 1 460 000

Frais de station par litre d’essence : 0,107 €