Que faut-il pour produire de l'hydrogène et de l'ammoniac à faibles émissions ?
Aujourd'hui, 80 % de la demande mondiale d'énergie finale est satisfaite par des combustibles fossiles qui, lorsqu'ils sont brûlés, libèrent du dioxyde de carbone et d'autres polluants nocifs dans l'atmosphère. L'électrification et l'expansion de l'électricité propre joueront un rôle essentiel dans la décarbonisation de la majeure partie de cette demande, mais les industries restantes difficiles à électrifier, notamment la sidérurgie, la pétrochimie et le transport maritime, auront besoin de substituts sans carbone pour parvenir à une décarbonisation complète.
Dans ces cas, carburants à zéro émission de carbone , comme l'hydrogène ou l'ammoniac à faibles émissions, qui ne contiennent pas de carbone et ne produisent pas de dioxyde de carbone lorsqu'ils sont brûlés ou utilisés dans une pile à combustible, peut jouer un rôle précieux dans la décarbonisation de l'économie mondiale.
Aujourd'hui, l'industrie utilise déjà l'hydrogène pour la production d'engrais, de produits chimiques et de carburants conventionnels. En fait, les États-Unis et l'Union européenne (UE) produisent actuellement 10 millions de tonnes par an (TPA) d'hydrogène respectivement à ces fins. Le problème ? L'industrie ne produit pas cet hydrogène d'une manière qui soit bénéfique pour le climat. L'hydrogène actuel provient principalement de la réaction du gaz naturel avec de la vapeur, un processus connu sous le nom de reformage du méthane à la vapeur, et est responsable de plus de 900 millions de tonnes d'émissions de carbone par an. Le passage à des méthodes de production à faibles émissions est donc une priorité absolue. Nous pouvons y parvenir en veillant à ce que le reformage du méthane à la vapeur utilise le captage et le stockage du carbone (souvent appelé hydrogène "bleu") ou en utilisant de l'électricité à faible teneur en carbone pour diviser l'eau en hydrogène et en oxygène, un processus connu sous le nom d'électrolyse (également souvent appelé hydrogène "vert").
De nombreux gouvernements ont reconnu la nécessité de produire davantage d'hydrogène à faibles émissions et ont annoncé des plans visant à augmenter rapidement la production. Aux États-Unis, le ministère de l'énergie a pour objectif de faire passer la production d'hydrogène à faibles émissions de près de zéro aujourd'hui à 10 millions de tonnes par an (TPA) d'ici à 2030. L'UE a annoncé des objectifs encore plus ambitieux, prévoyant de produire 10 millions de tonnes par an d'hydrogène au niveau national et d'importer 10 millions de tonnes par an d'hydrogène renouvelable d'ici à 2030.
Mais si le potentiel de décarbonisation offert par l'hydrogène à faibles émissions est de plus en plus reconnu, les exigences matérielles de la production d'hydrogène à faibles émissions, que ce soit par électrolyse ou par reformage du méthane à la vapeur avec piégeage du carbone, sont moins bien comprises. C'est pourquoi CATF a créé le calculateur de production d'hydrogène, un outil interactif qui permet aux utilisateurs de mieux comprendre les quantités de gaz naturel, d'eau et d'électricité nécessaires pour produire différentes quantités d'hydrogène, ainsi que les sous-produits de ces processus. Il suffit d'indiquer la quantité d'hydrogène souhaitée pour que la calculatrice présente les quantités de ressources nécessaires.
Que faut-il donc pour produire une quantité donnée d'hydrogène à faibles émissions ? Pour répondre à cette question, nous avons mis notre calculatrice à contribution, ci-dessous :
Hydrogène produit à partir de gaz naturel et capture du carbone (hydrogène "bleu")
Un reformeur de méthane à la vapeur typique - sans capture du carbone - produit environ 10 000 kilogrammes d'hydrogène par heure (kg/h). Si nous entrons cette quantité de production dans la calculatrice, nous constatons qu'un reformeur de méthane à vapeur de taille similaire avec capture du carbone consommerait 1800 MMBTU (530 MWh) de gaz naturel par heure, soit environ ce que 230 000 foyers américains consomment en une heure.1 L'usine consommerait également environ 200 gallons d'eau par minute, soit environ ce que 1 000 foyers américains consomment par minute.2
Hydrogène produit par électrolyse avec de l'électricité renouvelable (hydrogène "vert")
Si l'on prend les 10 000 kg/h d'hydrogène produits par un reformeur de méthane à vapeur typique, on constate qu'une usine d'électrolyse de taille similaire consommerait 530 MWh d'électricité par heure - soit environ ce que 440 000 foyers américains consomment en une heure.3 L'usine d'électrolyse consommerait également 440 gallons d'eau par minute, soit environ ce que 2 100 foyers américains consomment par minute.2
Principaux enseignements
Qu'elle utilise le reformage du méthane à la vapeur avec capture du carbone ou l'électrolyse, la production d'hydrogène sera une entreprise à forte intensité de ressources. Cette constatation est d'autant plus importante que l'on considère l'ampleur des intrants nécessaires pour répondre à la demande mondiale d'hydrogène à faibles émissions.
Pour atteindre l'objectif de 10 millions de TPA fixé par le DOE, par exemple, uniquement grâce à l'hydrogène produit à partir d'énergies renouvelables, il faudrait au moins 60 GW d'électricité à faible teneur en carbone et de capacité d'électrolyse - ce chiffre est nettement plus élevé si la source d'électricité propre est de nature variable (par exemple, solaire, éolienne). Pour mettre les choses en perspective, les États-Unis ont installé 24,5 GW de nouvelles installations solaires et éoliennes en 2020. Ce chiffre était plus élevé en 2021, avec 28,7 GW.
Le scénario décrit ci-dessus, dans lequel les besoins anticipés en hydrogène ne sont satisfaits que par de l'hydrogène produit à partir de sources renouvelables, pourrait être difficile à mettre en œuvre. Alors que la croissance des énergies renouvelables s'accélère au niveau mondial, la majeure partie de la nouvelle capacité renouvelable sera consacrée à la décarbonisation du réseau existant.
Heureusement, il existe une variété de technologies potentielles et de stratégies de déploiement qui peuvent maximiser le succès d'une économie de l'hydrogène à faibles émissions. D'une part, l'énergie propre et disponible en permanence, également appelée énergie 24/7, telle que l'énergie nucléaire ou l'énergie géothermique des roches très chaudes, pourrait contribuer à augmenter le facteur de capacité pour la production d'hydrogène par électrolyse. Il existe également plus d'une façon de produire de l'hydrogène à faibles émissions ; l'hydrogène "bleu" peut aider à augmenter la production parallèlement à l'hydrogène "vert". Toutefois, cette option n'est pas sans poser des problèmes qui doivent être résolus, à savoir la mise à l'échelle de l'infrastructure de capture du carbone nécessaire pour capturer, acheminer et séquestrer le carbone, et la garantie d'un suivi et d'une réduction rigoureux des émissions fugitives dans le cadre de l'approvisionnement en gaz naturel en amont.
Tous les moyens de production d'hydrogène à faibles émissions présentent leurs propres obstacles, et le développement du plus grand nombre possible de ces options permettra au monde d'avoir accès à une série d'outils climatiques complémentaires pouvant être déployés et adaptés à une variété de zones géographiques, de modèles commerciaux, de contraintes en matière de ressources et de conditions climatiques.
1 Veuillez noter que la consommation varie selon que l'électricité est utilisée à la place du gaz naturel pour des utilisations finales courantes telles que le chauffage, la cuisson et le séchage du linge. En utilisant les données de l'EIA, les calculs de CATF montrent que la consommation de gaz naturel par client résidentiel américain était de 5 392 pieds cubes standard par mois en 2021. Cela représente environ 5,63 millions d'unités thermiques britanniques (MMBTU) ou 1649 kilowattheures (kWh) par mois.
2 L'eau facilement disponible dans une installation peut nécessiter un traitement supplémentaire pour répondre aux exigences de qualité strictes du reformage du méthane à la vapeur ou de l'électrolyse. Par conséquent, la consommation réelle d'eau brute peut varier en fonction de la qualité disponible. Les calculs ci-dessus supposent que l'eau est déjà traitée pour atteindre la qualité requise et n'incluent pas les considérations relatives à l'eau de refroidissement des équipements auxiliaires. Selon l'EPA, la consommation moyenne d'eau des ménages américains était de 1 136 litres par jour en 2016. Pour plus d'informations sur la manière dont la consommation réelle d'eau brute peut varier en fonction de la qualité disponible, voir la page web de la GHD.
3 Veuillez noter que le chiffre cité ci-dessus correspond à l'électricité consommée, et non à la capacité de production nécessaire pour alimenter l'usine d'électrolyse. La capacité de production requise dépend de la fréquence à laquelle l'électricité est disponible au cours de la journée, ce que l'on appelle le facteur de capacité. Le facteur de capacité varie en fonction des différentes technologies d'énergie renouvelable; il est généralement de 10 à 20 % pour l'énergie solaire photovoltaïque et de 30 à 50 % pour l'énergie éolienne en mer. Ce facteur peut être modifié dans l'outil pour démontrer la valeur d'une énergie propre et ferme disponible 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Les données de l'EIA montrent que la consommation moyenne d'électricité des ménages est de 10 632 kWh/an.
