Une innovation dans le domaine de la séparation du méthane pourrait transformer la production d’hydrogène
Lorsque l’hydrogène est brûlé comme combustible, le principal sous-produit est l’eau et non le dioxyde de carbone (CO2), ce qui constitue une alternative intéressante aux énergies fossiles. Son contenu énergétique par unité de masse est l’un des plus élevés de tous les carburants, près de trois fois supérieur à celui de l’essence(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), ce qui le rend idéal pour les secteurs où le poids est critique, comme l’aérospatiale. Après modification, l’hydrogène peut également être stocké, transporté et distribué en utilisant l’infrastructure actuelle. Toutefois, il est pour l’heure essentiellement produit à l’aide de procédés qui reposent sur les combustibles fossiles ou l’électrolyse, et selon Terje Hauan, coordinateur du projet ColdSpark(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) financé par l’UE, ces deux procédés présentent des problèmes. «La production conventionnelle d’hydrogène est gourmande en carbone et en ressources. Les procédés basés sur les combustibles fossiles nécessitent de l’énergie, de l’eau et des catalyseurs, générant de grands volumes de CO2, tandis que l’électrolyse consomme de grandes quantités d’électricité et d’eau.» En réponse, le projet ColdSpark a mis au point une technologie de plasma non thermique (NTP pour «non-thermal plasma») qui transforme le méthane (ou le biométhane) en hydrogène, éliminant ainsi les émissions directes de CO2, tout en créant un coproduit précieux: le carbone solide. «En consommant moins d’énergie et sans utiliser d’eau, nous offrons une voie plus propre et potentiellement plus économique pour la production d’hydrogène», ajoute Terje Hauan, de l’hôte du projet SEID(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre).
Le réacteur à plasma non thermique innovant
L’hydrogène peut être produit par: électrolyse en recourant à de l’électricité renouvelable (hydrogène vert); reformage du méthane à la vapeur avec capture du carbone (hydrogène bleu); et craquage/séparation du biométhane ou du méthane (hydrogène turquoise), la méthode utilisée par ColdSpark. Contrairement à la production conventionnelle d’hydrogène, le réacteur du projet (appelé ColdSpark®) recourt à l’énergie électrique pour créer un champ NTP qui entre en collision avec les molécules de méthane en rompant leurs liaisons chimiques pour former de l’hydrogène gazeux et du carbone solide. Au lieu de fournir un flux d’énergie continu, ColdSpark® utilise des impulsions plus complexes qui injectent plus d’énergie dans le gaz réactif et aident les opérateurs à mieux contrôler le plasma. «Les réactions chimiques peuvent se produire sans avoir à chauffer l’ensemble du flux gazeux à des températures extrêmement élevées, ce qui améliore l’efficacité énergétique et celle du réacteur», explique Terje Hauan.
Valider la stratégie des deux produits
Les expériences physiques et la modélisation cinétique chimique comparant les architectures de plasma ont permis de sélectionner les modèles les mieux adaptés à la mise à l’échelle industrielle. Elles ont été complétées par des expériences d’adsorption et des simulations de tamis moléculaires destinées à valider les technologies de séparation sous vide visant à séparer l’hydrogène du méthane n’ayant pas réagi. En vue de la commercialisation, SEID a mené des campagnes à long terme, identifiant un mode opérationnel critique qui accroît considérablement l’efficacité énergétique. Entre-temps, des évaluations économiques et de durabilité ont également été réalisées. «Celles-ci ont révélé que la compétitivité de la technologie dépendait du degré d’écologisation de l’électricité d’une région, de la valeur marchande du carbone solide produit et de l’atteinte de seuils spécifiques de conversion du méthane», note Bjarte Kvingedal, directeur technique.
Une solution énergétique plus propre ouvre de nouvelles perspectives économiques
Les innovations de ColdSpark contribuent à de nombreuses initiatives et objectifs de l’UE; plus directement, à la stratégie de l’UE pour l’hydrogène et REPowerEU(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), et plus largement, au pacte vert pour l’Europe(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), à la neutralité climatique, à la sécurité énergétique et à l’économie circulaire. «L’utilisation du méthane provenant de sources telles que les déchets agricoles ou municipaux pourrait réduire la dépendance à l’égard des importations d’énergie, le coproduit de carbone solide permettant de mettre en place des chaînes d’approvisionnement plus durables», explique Terje Hauan. «Parallèlement, les populations bénéficient de meilleures conditions environnementales et sanitaires, ainsi que de nouvelles opportunités économiques, en particulier dans les zones rurales où des systèmes d’hydrogène décentralisés pourraient être déployés.» Parmi les applications potentielles figurent l’approvisionnement en hydrogène pour la production d’acier à faible teneur en carbone, les industries chimiques et de raffinage, les piles à combustible pour les transports lourds et le stockage de l’énergie, et la fourniture de matériaux à base de carbone de haute qualité pour les batteries, les composites, les matériaux de construction, les pneus, etc. Des projets pilotes supplémentaires sont en cours de planification afin de valider les performances dans des conditions d’exploitation réelles. Grâce à la conception modulaire du réacteur, qui pourrait s’intégrer dans les infrastructures existantes de gaz naturel ou de biométhane, l’équipe est optimiste quant à une commercialisation rapide.
