L’hydrogène turquoise, une solution d’avenir ?

Les nouveaux enjeux inhérents à la transition énergétique contraignent les acteurs de l’énergie et les industriels à se réinventer et à recourir peu à peu à des énergies moins ou non émettrices de gaz à effet de serre en remplacement des énergies fossiles. Dans ce cadre, l’hydrogène fait figure de vecteur énergétique prometteur et vertueux, dès lors qu’il est décarboné. Les pays européens se dotent peu à peu d’une stratégie nationale de l’hydrogène, à l’image de la France qui doit en livrer une seconde mouture au premier semestre 2023. Bien qu’encore méconnu du grand public, l’hydrogène turquoise produit par pyrolyse du méthane apparaît comme une solution réellement pertinente tant sur les plans écologique qu’économique. Quelle est cette énergie d’avenir ? Production, impact carbone, rentabilité et perspectives de développement : découvrez notre dossier complet sur l’hydrogène turquoise.

publié le 14/02/2023 | mis à jour le 14/02/2023 | par Aurélie Hubert

Qu’est-ce que l’hydrogène ?

Avant d’aborder plus en détails la notion d’hydrogène turquoise, il est essentiel de rappeler brièvement ce qu’est l’hydrogène et quelles sont ses différentes formes.

L’hydrogène (H)

L’hydrogène, de symbole H et de numéro atomique 1 sur le tableau périodique de Mendeleïev, est l’élément chimique le plus abondamment présent dans l’Univers : il est par exemple le principal constituant du Soleil.

Ce gaz extrêmement léger est également disponible partout sur Terre sous la forme de dihydrogène (H₂), notamment dans l’eau (H₂O) dont les molécules sont faites de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Composant de toute matière vivante, l’hydrogène représente même 10 % de la masse du corps humain !

On le retrouve aussi dans l’ammoniac (NH₃) et dans tous les hydrocarbures : par exemple, une molécule de méthane (principal composant du gaz naturel symbolisé CH₄) est constituée de quatre atomes d’hydrogène et d’un atome de carbone.

Le saviez-vous ?

Un hydrocarbure est, par définition scientifique, un composé organique contenant exclusivement des atomes d’hydrogène (H) et de carbone (C). C’est la raison pour laquelle il y a de l’hydrogène dans tous les hydrocarbures !

L’hydrogène est une incroyable source d’énergie : 1 kg d’hydrogène contient 2,2 fois plus d’énergie que le gaz naturel et 3 fois plus d’énergie que le pétrole.

Toutefois, malgré sa présence en quantités importantes dans tout ce qui nous entoure, ce gaz n’est que peu disponible à l’état brut (bien que plusieurs réserves naturelles aient été identifiées depuis 50 ans). Il faut donc le « produire » en l’isolant des autres composants. Par exemple :

pour récupérer l’hydrogène contenu dans l’eau, il faut le séparer de l’oxygène ;
pour récupérer l’hydrogène contenu dans le méthane, il faut le séparer du carbone.

La palette de couleurs de l’hydrogène

Peut-être avez-vous déjà entendu parler d’hydrogène gris, bleu, jaune ou encore vert… En réalité, l’hydrogène se décline en une gamme chromatique encore plus large, déterminée à partir des différentes techniques de production et des sources d’énergie utilisées.

Une absence de consensus sur la terminologie relative aux différents types d’hydrogène

Il n’existe pas, à l’heure actuelle, de consensus sur la terminologie à employer à l’échelle internationale. Ainsi, dans certains pays, l’hydrogène jaune est appelé rose ou violet. L’hydrogène à l’état pur disponible dans des réserves naturelles n’a pas de couleur en France, mais est appelé blanc ailleurs, etc.

L’ADEME (Agence de la transition écologique) souhaite d’ailleurs faire évoluer cette taxonomie en se basant sur l’impact environnemental de l’hydrogène, lequel varie fortement selon le mode de production utilisé. Elle appelle donc à privilégier désormais les termes suivants :

« hydrogène fossile »
« hydrogène bas-carbone » ;
« hydrogène renouvelable ».

À ce jour, 95 % de la production mondiale est réalisée à partir d’énergies fossiles : charbon, gaz et pétrole, grâce aux techniques de gazéification et de vaporeformage.

La gazéification

La gazéification par traitement thermique consiste à transformer du charbon en gaz : on parle d’hydrogène noir. Lorsque la matière première utilisée est du lignite (ou charbon brun, une variété de charbon qui présente une plus grande concentration d’oxygène et d’hydrogène que le charbon noir), l’hydrogène produit est alors dit « brun ».

Le vaporeformage

On produit de l’hydrogène gris en utilisant le procédé de vaporeformage (reformage du gaz naturel à la vapeur d’eau) ou SMR pour Steam Methane Reforming. À ce jour, il s’agit de la technique la plus largement utilisée dans le monde.

Le CO₂ émis lors de la fabrication peut être capté pour être stocké et réutilisé, afin de réduire l’impact carbone : on parle alors d’hydrogène bleu. Mais cette pratique est encore confidentielle (moins d’1 % de la production mondiale selon la Global Hydrogen Review 2022 de l’AIE, l’Agence internationale de l’énergie).

L’électrolyse

Il est également possible de produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau : en soumettant l’eau à un courant électrique, on parvient à isoler les molécules de dihydrogène (H₂) de celles de dioxygène (O₂). Cette technique est encore peu employée à ce jour (moins de 1 % de la production mondiale selon l’AIE).

Lorsque l’électricité utilisée est d’origine nucléaire, on parle d’hydrogène jaune. Lorsqu’elle est d’origine renouvelable, on parle alors d’hydrogène vert.

La pyrolyse

Un dernier procédé intéresse de plus en plus les acteurs de la filière hydrogène : il s’agit de la pyrolyse du méthane, également appelée craquage du méthane ou décarbonisation du méthane.

L’hydrogène produit est appelé hydrogène turquoise. Voyons cela plus en détails.

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Produire de l’hydrogène turquoise grâce à la pyrolyse du méthane

Le principe de ce procédé : décomposer le méthane à très haute température (entre 1 000 °C et 2 000 °C), afin d’obtenir de l’hydrogène et du carbone solide (ce matériau aussi appelé « noir de carbone » et utilisé dans de nombreuses industries, par exemple pour fabriquer des pneumatiques ou des mines de crayon).

À partir d’un kilo de méthane, on produit 250 g d’hydrogène et 750 g de noir de carbone.

Les différentes catégories de pyrolyse du méthane

Selon Laurent Fulcheri, directeur de recherche au Centre PERSEE de MINES-ParisTech et spécialiste de la question depuis plus de 25 ans, il existe 6 grandes catégories de pyrolyse du méthane :

la décomposition thermique catalytique ;
le bain de métaux fondus ;
la pyrolyse par énergie solaire à concentration ;
les plasmas froids ;
les plasmas thermiques.

C’est la pyrolyse par plasmas thermiques qui semble, à l’heure actuelle, être la plus prometteuse – et plus précisément la technologie plasma triphasé, sur laquelle travaillent conjointement les équipes de Laurent Fulcheri à Mines-ParisTech et la société californienne Monolith Materials depuis 2012.

La pyrolyse du méthane, une technique pas si récente

L’idée d’utiliser la chaleur pour décomposer le méthane n’est pas nouvelle : le premier brevet sur la décomposition des hydrocarbures par plasma thermique a été publié aux États-Unis par James R. Rose dès 1920 !

Le géant russe Gazprom travaille sur la pyrolyse du méthane par bain de métaux fondus depuis de nombreuses années dans ses installations de recherche à Tomsk. Avec ce procédé, la pyrolyse a lieu dans un réacteur à colonne à bulles, rempli d’un métal liquide tel que l’étain fondu. La réaction de craquage se produit après introduction de fines bulles de méthane par une ouverture au bas du réacteur. Le carbone se sépare de l’hydrogène et se dépose sous forme de poudre à l’extrémité supérieure du réacteur.

Pour développer cette technologie à l’échelle industrielle, un verrou restait à lever : la durée de vie très courte des infrastructures, les résidus de carbone ayant tendance à obstruer le réacteur. Les recherches menées en Allemagne au Karlsruhe Institute of Technology (KIT) et à l’Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) de Potsdam ont permis depuis de pallier ce problème.

Comparatif des émissions de CO₂ selon les différents types d’hydrogènes

L’hydrogène est une énergie propre en consommation : lorsqu’on l’utilise dans une pile à combustible ou qu’on le brûle, il ne génère aucune émission de CO₂.

En revanche, on ne peut pas en dire autant de sa fabrication, laquelle peut être, selon le procédé utilisé, extrêmement polluante.

L’impact environnemental des hydrogènes produits par gazéification ou vaporeformage

Les hydrogènes noir et brun, en étant produits à partir de charbon, ont évidemment un bilan carbone désastreux. Selon une note de l’Office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques publiée en avril 2021, produire 1 kg d’hydrogène par gazéification générerait entre 20 et 24 kg de CO₂ (données sur l’ensemble du cycle de vie).

L’hydrogène gris fabriqué grâce au procédé de vaporeformage nécessite une très grande quantité d’énergie. Il est donc également très polluant : entre 9 et 13 kg de CO₂ générés par kilo d’hydrogène produit, selon la même note. Dans une étude inédite publiée en juillet 2022, Laurent Fulcheri avance un chiffre similaire : 9,9 kg de CO₂ pour l’hydrogène gris, et 3,3 kg lorsque le CO₂ est capté pour être réutilisé (hydrogène bleu).

Et l’hydrogène vert, dans tout ça ?

L’hydrogène vert comme l’hydrogène jaune sont produits par électrolyse de l’eau, une technique très énergivore. Selon Laurent Fulcheri, « la réaction chimique nécessite au minimum 40 kWh par kilo d’hydrogène produit, si l’on dispose d’électrolyseurs fonctionnant au rendement maximum. Or, aujourd’hui, leur rendement est d’environ 60 %, ce qui signifie qu’aujourd’hui, produire 1 kg d’hydrogène consomme 60 kWh. »

Toutefois, ce procédé est exempt d’émissions de gaz à effet de serre. En ayant recours à une électricité décarbonée pour réaliser l’électrolyse (électricité d’origine éolienne, solaire, hydraulique ou de biomasse pour l’hydrogène vert, électricité d’origine nucléaire pour l’hydrogène jaune), ces derniers sont donc, sur le papier, décarbonés et sans impact pour la planète.

L’hydrogène vert serait donc bien « vert ». Il ne faut toutefois pas oublier un aspect important de l’électrolyse : celle-ci requiert une très grande quantité d’eau. En effet, 10 tonnes d’eau sont nécessaires pour produire une tonne d’hydrogène. Or, cette eau doit être purifiée par le biais de divers traitements très énergivores et émetteurs, eux, de CO₂ (l’osmose inverse, par exemple).

L’hydrogène turquoise, un vecteur énergétique réellement vertueux

Pour rappel, l’hydrogène turquoise est produit par pyrolyse du méthane. Dans ce procédé, le méthane est porté à très haute température afin de séparer l’hydrogène du carbone.

La pyrolyse du méthane étant réalisée en l’absence d’oxygène, elle ne génère aucune émission de gaz à effet de serre. Et ce n’est pas tout ! Cette technique requiert entre 3 et 7,5 fois moins d’électricité que l’électrolyse, pour une raison simple : rompre une molécule de méthane est plus aisé que rompre une molécule d’eau.

Par conséquent, l’empreinte carbone de l’hydrogène turquoise sur l’ensemble de son cycle de vie est :

faible, si l’électricité utilisée pour la produire est carbonée ;
nulle, si l’électricité utilisée pour la produire est d’origine nucléaire ou renouvelable.

Lorsque le méthane provient de biogaz (gaz produit à partir du processus de méthanisation), on peut même considérer que l’hydrogène turquoise a une empreinte carbone négative, puisque ce gaz vert a capté le CO₂ de l’air : jusqu’à -5 kg de CO₂ par kilo d’hydrogène produit, selon les estimations de Laurent Fulcheri.

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Produire de l’hydrogène turquoise est-il viable économiquement ?

Pour que la production d’hydrogène turquoise à grande échelle puisse être envisagée, il faut bien évidemment qu’elle soit viable économiquement – en d’autres termes, rentable.

Le coût de production de l’hydrogène turquoise

Sur ce point, l’hydrogène turquoise présente de nombreux atouts : il ne nécessite pas d’eau et relativement peu d’électricité, ce qui lui permet d’afficher des coûts de production similaires à ceux de l’hydrogène gris (environ 1,5 €/kg).

À titre de comparaison :

l’hydrogène bleu produit par vaporeformage avec captage du C0₂ présente un coût de production compris entre 2 € et 3 € par kilo (avec, rappelons-le, un bilan carbone moins bon) ;
l’hydrogène vert, dont la production est bien plus énergivore et requiert de grandes quantités d’eau qu’il faut préalablement traiter, coûte quant à lui entre 4 € et 6 € par kilo. Ce coût très élevé rend par ailleurs difficile le déploiement de l’hydrogène vert à grande échelle, malgré les ambitions de nombreux pays (dont la France) en la matière.

La valorisation du noir de carbone

L’autre point fort de la production d’hydrogène turquoise, c’est qu’elle permet de produire dans le même temps du carbone solide, également appelé « noir de carbone », un matériau nanostructuré possédant un taux de carbone très élevé (supérieur à 98 %). Or, ce noir de carbone trouve de nombreuses applications industrielles, notamment dans :

l’élastomère composant les pneumatiques (le noir de carbone permet d’accroître sa résistance à la chaleur, aux ultraviolets et à l’usure) ;
le caoutchouc industriel ;
les encres et toners ;
les mines de crayon ;
les piles et batteries ;
les revêtements de peinture ;
les colorants ;
etc.

Selon Laurent Fulcheri, le carbone solide pourrait même être utilisé à terme « dans les matériaux de construction, les infrastructures routières, ou même dans les sols agricoles ».

Dans le cadre de la production d’hydrogène turquoise, le carbone solide généré peut donc être valorisé et, in fine, abaisser les coûts de production du gaz d’environ 1 €/kg… rendant alors l’hydrogène turquoise plus compétitif encore que le polluant hydrogène gris !

Pour conclure : état des lieux de la filière hydrogène turquoise et perspectives d’avenir

À l’heure actuelle, la production d’hydrogène turquoise est encore anecdotique.

La production d’hydrogène turquoise dans le monde

Seule l’entreprise californienne Monolith Materials (groupe Monolith Corporation), qui mène depuis 2012 des recherches sur le sujet en collaboration étroite avec les équipes de MINES-ParisTech, a démarré une unité de production commerciale. Dans son usine d’Olive Creek, elle produit de l’hydrogène en utilisant le procédé des plasmas thermiques. Précisons toutefois que sa technologie est aujourd’hui conçue pour optimiser la production de carbone solide, et non celle d’hydrogène.

De nombreux autres projets sont en cours un peu partout dans le monde, notamment en Allemagne, où le groupe BASF mène des recherches sur la décomposition du méthane à l’aide de catalyseurs. Aux États-Unis et en Australie, des pilotes ont été construits pour tester la production d’hydrogène à bain de métal liquide. Néanmoins, tous ces projets en sont encore au stade d’expérimentation, car des difficultés technologiques restent à résoudre.

Au printemps 2022, la société australienne Pure Hydrogen Corporation Limited a signé un accord de collaboration et de licence avec la société technologique française Plenesys. Objectif : commercialiser le procédé HyPlasma développé par Plenesys pour fabriquer de l’hydrogène turquoise. La mise en service d’une première usine pilote à Brisbane est prévue prochainement. Celle-ci devrait permettre de produire quotidiennement entre 1 500 et 5 000 kg d’hydrogène et entre 4 500 et 15 000 kg de carbone solide.

Au Danemark, une usine de production d’hydrogène par pyrolyse catalytique du biogaz devrait voir le jour en 2025. Ce projet est financé par le Fonds de recherche indépendant du Danemark. Son directeur Patrick Biller explique très clairement les ambitions et le contexte d’un tel projet : « Ce dont nous avons besoin aujourd’hui, ce ne sont pas seulement des technologies à zéro carbone. Nous avons également besoin de technologies de séquestration du carbone avec des émissions nettes négatives de carbone. Ce que nous proposons avec ce projet, c’est d’adapter et d’optimiser la technologie existante de l’hydrogène dite “turquoise” pour le biogaz au lieu du gaz naturel. Le résultat sera une véritable technologie à émissions de carbone négatives, bien adaptée au rôle de leader du Danemark en tant que nation du biogaz. »

Enfin, en France, Sakowin Green Energy ambitionne de produire prochainement de l’hydrogène turquoise à partir de biométhane. Le point fort de sa solution : des équipements compacts et modulaires qui seront installés au sein des sites industriels, afin de « produire de l’hydrogène là où on en a besoin à partir d’infrastructures gazières existantes », selon Gérard Gatt, président de l’entreprise. Un premier démonstrateur du module est attendu en 2024.

Ces quelques exemples sont des signaux positifs pour la filière de l’hydrogène décarboné.

Des investissements conséquents pour développer la filière

Au-delà des aspects techniques, se pose aussi la question financière : en effet, le développement de l’hydrogène turquoise ne sera possible que sous réserve que les acteurs du marché, aidés ou non des États, soient en capacité d’investir des sommes colossales.

À titre d’exemple, le groupe Monolith Corporation a investi pour ses infrastructures le montant gigantesque de 1,6 milliard de dollars (dont 1 milliard apporté par le gouvernement américain). Il préparerait actuellement son introduction en Bourse… preuve que l’hydrogène turquoise, énergie pleine de promesses pour la transition énergétique, a déjà convaincu les acteurs de la filière.

Le fait que l’hydrogène turquoise soit directement lié à la production de noir de carbone (l’une des 50 industries chimiques les plus importantes au monde, avec 12 millions de tonnes produites par an et un chiffre d’affaires d’environ 15 milliards de dollars), devrait permettre de lever les freins liés aux investissements.

Écologique, économique et, dans le cadre d’une production à partir de biométhane, exempt des problématiques liées aux ressources de gaz naturel et à son extraction, l’hydrogène turquoise coche toutes les cases pour devenir dans les prochaines décennies un vecteur énergétique de premier plan. Un point de vue partagé par Stephen Jackson, directeur de la technologie et du marché chez Hydrogen Europe : « l’hydrogène turquoise est une méthode de production alliant efficacité, propreté et rentabilité. Si on l’utilise correctement, elle peut jouer un rôle crucial dans la croissance du marché de l’hydrogène et la concrétisation de nos objectifs de transition énergétique. »

L’hydrogène turquoise peut-il, à terme, permettre aux particuliers de payer leur gaz moins cher ?

Le marché du gaz naturel est, à l’instar de celui d’électricité, en crise depuis de nombreux mois. Sur les marchés de gros, les prix du gaz explosent et se répercutent inévitablement sur les consommateurs, malgré la mise en place de mesures gouvernementales. L’hydrogène turquoise, de par ses coûts de production relativement bas, laisse entrevoir des espoirs en matière de prix de l’énergie. Une production à la fois décarbonée et peu chère à grande échelle ne peut être que positive pour l’ensemble du marché du gaz naturel. Toutefois, il est beaucoup trop tôt pour espérer voir les prix du gaz diminuer. À l’heure actuelle, l’unique solution pour optimiser son budget énergétique est de souscrire le contrat gaz le plus avantageux possible. Choisir.com vous accompagne dans vos démarches en mettant à votre disposition son comparateur gaz gratuit et sans engagement.

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