Production d’hydrogène à partir de ressources hydrocarbonées

Objectifs scientifiques


L’objectif principal concerne le développement de procédés pour la production de combustibles synthétiques par voie thermochimique solaire sans émission de gaz à effet de serre. Les différents carburants solaires visés sont l’hydrogène, le gaz de synthèse (avec H2et CO comme constituants principaux), et les combustibles dérivés (méthanol, DME, ou autres carburants liquides synthétiques). L'hydrogène est un vecteur énergétique qui permet le stockage à long terme et le transport de l'énergie solaire, en vue de son utilisation en combustion directe ou dans une pile à combustible. Les différentes voies de production envisagées sont illustrées sur la Figure 1. La production d’hydrogène à partir de l’énergie solaire peut être réalisée à partir de deux catégories de précurseurs : les ressources hydrocarbonées (gaz naturel, charbon, biomasse…) et l’eau.

Par ailleurs, des procédés solaires permettant la valorisation des émissions de CO2issues par exemple des procédés industriels sont également développés. L’objectif de cette valorisation est la conversion du CO2en combustible de synthèse grâce à l’énergie solaire.

t6fig1

Figure 1 : Filières de production d’hydrogène par voie solaire

Production d’hydrogène à partir de ressources hydrocarbonées

Les voies de synthèse considérées sont le craquage du gaz naturel, le reformage et la pyrolyse/gazéification. Le traitement thermique d’hydrocarbures ou de biomasse par énergie solaire consiste à substituer à la combustion partielle de la charge (apport de chaleur pour les réactions endothermiques) une énergie extérieure fournie par des concentrateurs solaires. Le craquage produit de l’hydrogène et du carbone solide tandis que le reformage-gazéification produisent du gaz de synthèse. Bien qu’ils nécessitent l’utilisation de ressources fossiles, ces procédés hybrides solaire/hydrocarbure présentent les avantages suivants :

  • Economie de combustible et stockage chimique d’énergie solaire.
  • Réduction ou suppression (craquage) des émissions spécifiques de gaz à effet de serre (CO2, SO2, NOx) par rapport aux procédés classiques.
  • Non contamination des produits par les gaz de combustion.

Par exemple, le reformage solaire du gaz naturel permet d’économiser 20% de combustible et de réduire les émissions de CO2 de 40%.

La dissociation thermique d’hydrocarbures (méthane ou gaz naturel) permet la co-synthèse d’hydrogène et de noirs de carbone, nanomatériaux valorisable à haute valeur ajoutée ayant des applications dans les domaines des polymères composites et de l’électrochimie (piles, batteries). La réaction peut être globalement schématisée par : 
CH4 → Csolide + 2 H2 ΔH° = 75 kJ.mol-1
Elle permet une production d’hydrogène sans emploi de catalyseurs et sans émission de CO2. Une économie d’émission de 14 kg CO2/kg H2 et une économie d’énergie d’origine fossile de 277 MJ/kg H2 sont ainsi réalisées par rapport aux méthodes conventionnelles de production d’hydrogène (vaporeformage) et de noir de carbone (combustion incomplète d’hydrocarbures).
Ce procédé, développé dans le cadre du projet européen SOLHYCARB (10 partenaires, 7 pays) pour lequel le laboratoire PROMES est coordinateur, permet d’assurer la transition des énergies fossiles au vecteur hydrogène. Les recherches visent à concevoir, développer et optimiser des récepteurs/réacteurs solaires innovants pour réaliser la réaction de co-synthèse d’hydrogène et de noir de carbone présentant des propriétés d’usages intéressantes équivalentes à celles des produits industriels. Un réacteur solaire prototype (20 kW) et un réacteur pilote de démonstration (50 kW) ont été mis en œuvre au foyer du grand four solaire de PROMES (Figure 2). Ces réacteurs opérant entre 1400°C et 1800°C permettent d’atteindre une conversion totale du méthane injecté et des rendements en hydrogène supérieurs à 80%. A l’échelle de 50 kW, une production de 2,24 Nm3/h de H2, 330 g/h de noir de carbone, et 0,3 Nm3/h de C2H2 est obtenue à une température de 1600°C pour 1,26 Nm3/h de CH4 injecté. Les propriétés des noirs de carbone produits par voie solaire sont évaluées. Une analyse globale du procédé montre qu’un coût compétitif de production de l’hydrogène peut être atteint (<1,4 $/kg) pour un prix de vente du noir de carbone voisin de 0,9 $/kg, ce qui correspond à des matériaux commerciaux pour des applications dans le domaine des batteries et polymères. Les perspectives économiques de ce procédé sont donc favorables.

Contact: Stéphane ABANADES, Gilles FLAMANT