L’hydrogène est actuellement un gaz industriel important : 75 millions de tonnes sont fournies annuellement à l’industrie chimique, près de 45% pour le raffinage pétrolier (désulfuration), presque autant pour la production d’ammoniac et d'engrais azotés, environ 10% pour les industries alimentaires, électroniques et métallurgiques et enfin près de 1% pour la propulsion spatiale des fusées par combustion d’hydrogène et d’oxygène liquides.

La France produit près d’un million de tonnes d’H 2 par an, soit 1,5% de la production mondiale (contre de l'ordre de 10 Mt par an pour les États-Unis(1) ou la Chine).

Un procédé de production dominant (96%) : le vaporeformage des hydrocarbures (Steam Methane Reforming en anglais)

Aujourd’hui, l’hydrogène pour l’industrie est produit quasi intégralement en l’extrayant du gaz naturel sous l’action de la vapeur d’eau surchauffée. Ce vaporeformage du méthane, après désulfurisation du gaz naturel, se fait en deux étapes à haute température (entre 700°C et 1 000°C) où sont rompues les liaisons de l’hydrogène (dans l’eau avec l’oxygène, dans le méthane avec le carbone) :

H 2 O + CH 4 → CO + 3 H 2 (fortement endothermique : + 190 kJ/mole)

CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (faiblement exothermique : - 40 kJ/mole)

À la sortie du vaporéacteur, l’hydrogène pur est séparé du CO 2 qui peut être capturé, et d’un mélange en excès de CO, de méthane et de vapeur d’eau (syngas) qui est utilisé pour fournir la chaleur nécessaire au vaporeformage.

Des catalyseurs métalliques sont utilisés (nickel, fer, chrome, cuivre) pour faciliter les réactions. Le vaporeformage est associé à une très lourde émission de CO 2 : pour une tonne de H 2 produite, 10 à 11 tonnes de CO 2 sont produites et en général émises dans l’atmosphère.

Le vaporeformage est le procédé le plus économique actuel pour produire l’hydrogène industriel. Évalué à 1,5 €/kg, son coût au kg reste cependant le triple de celui du gaz naturel hors taxe carbone (donc en ne tenant pas compte de sa lourde empreinte environnementale).

Un appoint : l’électrolyse alcaline de l’eau

De l'ordre de quelques pour cent de la production annuelle d’hydrogène sont produits par électrolyse alcaline, le vaporeformage étant incapable d’atteindre « l’ultrapureté » nécessaire aux laboratoires de recherche et à l’industrie des semi-conducteurs.

Le procédé d’électrolyse alcaline est une technologie éprouvée, l’eau y est décomposée entre deux électrodes monopolaires baignant dans un électrolyte basique (potasse).

À l’anode réductrice se dégage de l’oxygène : 2 OH- → ½ O 2 + H 2 O + 2 e-

À la cathode oxydante se dégage l’hydrogène : 2 H 2 O + 2 e- → H 2 + 2 OH-

Les électrodes monopolaires initialement connectées en parallèle ont été remplacées par des électrodes bipolaires (une face anode, une face cathode) qui fonctionnent en série, avec des densités de courant plus élevées, donc plus compactes, plus réactives et de meilleur rendement.

L’électrolyse alcaline produit de l’hydrogène ultra-pur à un coût qui est environ quatre fois celui du vaporeformage (de l'ordre de 6€/kg).

La gazéification du charbon

Le charbon est une substance complexe et de teneur en carbone variable suivant les minerais (houille, anthracite, lignite). Porté à très haute température (1 200°C) par sa combustion partielle dans l’air, le charbon se vaporise et le carbone qu’il contient réagit avec de la vapeur d’eau en produisant du « syngas » dont on peut séparer l’hydrogène après avoir éliminé les impuretés et le CO 2 .

Le charbon étant la ressource fossile la plus répandue au 19e siècle, sa gazéification a été exploitée pour produire du gaz de ville, puis pour fabriquer massivement des carburants liquides à usage militaire (notamment en Allemagne durant la Seconde Guerre mondiale). Il n’est désormais plus gazéifié, sauf ponctuellement pour produire industriellement de l’hydrogène, mais cette possibilité reste activement étudiée par les grands pays carbonifères (Chine, États-Unis, Allemagne, etc.).

La situation actuelle

Dominé par un procédé où l’énergie thermique nécessaire est fournie par la combustion partielle du méthane (Steam methane reforming), la production mondiale d'hydrogène s'accompagne annuellement de près d’un milliard de tonnes de CO 2 d'émissions dans l’atmosphère, soit plus de 3 fois les émissions annuelles de CO 2 liées à la combustion d'énergie en France (319 Mt CO 2 en 2018(2)).

Dans le contexte d’une transition énergétique globale s’intensifiant et l’hydrogène décarboné faisant l’objet d’une production croissante, il apparaît probable que le reformage du méthane disparaîtra progressivement.

Trois voies de remplacement, qui peuvent être combinées, sont dès maintenant activement explorées : l’électrolyse, la biomasse et la thermochimie.