Nouveau procédé de production d'hydrogène

(Photo : Adobe Stock)

Une décennie de recherche et développement intense visant à développer des technologies robustes et efficaces utilisant l’hydrogène comme principale source de carburant devrait permettre de fournir une série de nouvelles solutions énergétiques prêtes pour des applications commerciales.

Des véhicules poids lourds équipés de moteurs à combustion interne à hydrogène (H2 ICE) sont actuellement livrés aux clients ; des modèles alimentés par des piles à combustible devraient être disponibles d'ici un an ou deux. Le lancement d'engins de chantier utilisant des technologies similaires est imminent. Ailleurs, des trains alimentés par l'électricité produite par des piles à combustible à hydrogène sont déjà en exploitation limitée.

Pourtant, alors que ces technologies progressent dans leur développement vers la commercialisation, la question de l'approvisionnement en hydrogène reste largement sans réponse. Les sites existants ne produisent que des quantités très limitées d'hydrogène et, bien que plusieurs gouvernements nationaux aient lancé des initiatives de financement destinées à soutenir des projets majeurs de production d'hydrogène, des années sont encore nécessaires avant que des volumes significatifs ne soient produits.

La pénurie d’hydrogène est telle qu’en septembre 2024, un opérateur ferroviaire allemand a dû revenir aux trains diesel lorsqu’il est devenu impossible de s’approvisionner en carburant pour son nouveau matériel roulant à hydrogène.

Production d'hydrogène

Il existe plusieurs méthodes pour libérer de l'hydrogène destiné à être utilisé comme combustible, mais la plupart font appel à l'électrolyse ou à la pyrolyse. Dans l'électrolyse, le procédé utilise un courant électrique pour séparer l'eau en hydrogène et en oxygène. La pyrolyse utilise la chaleur pour séparer l'hydrogène d'une matière première.

Whitaker Irvin, Jr., Q Hydrogène

Ces deux procédés présentent des inconvénients liés à l'énergie nécessaire à leur mise en œuvre ; l'électrolyse, quant à elle, nécessite une électricité renouvelable « verte » pour produire de l'hydrogène vert. La pyrolyse requiert une température élevée, ce qui nécessite au minimum une source d'allumage adaptée. Dans un cas, le Fraunhofer IMM (Institut de micro-ingénierie et de microsystèmes) a développé un procédé de pyrolyse de l'ammoniac qui, une fois lancé, est réputé pour être largement auto-entretenu en termes de chaleur.

Whitaker Irvin, Jr., président et directeur général de Q Hydrogen, affirme que la société a développé un tout nouveau procédé de production d'hydrogène qui utilise beaucoup moins d'énergie que les deux précédents, bien qu'il précise que la technologie n'a pas été développée à l'origine pour produire de l'hydrogène du tout.

La technologie développée par mon père remonte à 2007. Elle visait à offrir une nouvelle méthode de chauffage et de refroidissement industriels. L'idée était de créer deux flux d'air différenciés, un côté chaud et un côté froid, à l'aide de géométries à ondes hyperboliques. Ces géométries étaient positionnées sur des surfaces fixes de la turbine selon un arrangement en miroir – elles s'imbriquaient si elles étaient rapprochées – mais avec un léger espace entre elles. L'air ainsi propulsé crée un environnement où les zones de haute et de basse pression interagissent dans un mouvement horaire et antihoraire, l'objectif étant de provoquer une réaction [changement de température] au sein de la turbine en métal non ferreux.

Nous nous attendions à une différence de température de -10 à -5 °C. Mais la différence était bien plus importante : environ 65 °C côté chaud et 3 °C côté froid. Le tout dans une unité d'environ 15 cm de large et 30 cm de haut. C'était le premier indice qu'un phénomène plus puissant se tramait.

Irvin poursuit en expliquant qu'environ un an plus tard, lors d'un essai du système en chambre étanche, une vanne ouverte a laissé pénétrer de l'humidité dans l'unité d'essai. La vanne a été ouverte le lendemain et, comme le raconte Irvin : « Il y a eu un véritable fracas ! De l'hydrogène s'était formé simplement grâce à l'interaction de l'humidité de l'air avec les plaques de la turbine ; elle ne tournait même pas. »

Un système permettant l'ajout de quantités mesurées d'humidité a été ajouté, et des tests ultérieurs ont finalement démontré que l'unité pouvait produire de l'hydrogène gazeux. En 2014, la décision a été prise de commercialiser le procédé, ce qui a donné naissance à la première turbine destinée à traiter l'eau et à produire de l'hydrogène.

Selon Irvin, les courants d'air dans le sens horaire et antihoraire au sein de l'unité créent des zones de haute et basse pression, qui produisent à leur tour des tourbillons à grande vitesse. C'est cet environnement qui est essentiel à la production d'hydrogène gazeux.

Le site de Q Hydrogen à Groveton, New Hampshire (Photo : Q Hydrogen)

« En fait, on crée beaucoup de rotation sur le matériau qui compose la turbine », explique-t-il. « Il y a quelques détails supplémentaires, quelques éléments de processus supplémentaires que nous prévoyons de révéler prochainement, mais c'est l'un des éléments clés. »

Précisant que « cela va probablement paraître un peu cliché », Irvin poursuit en affirmant que la production mondiale d'énergie a jusqu'à présent été largement axée sur les processus thermiques. Mais il affirme que la nature nous a offert une série de solutions permettant de créer de l'énergie sans réaction chimique : « Il suffit d'être suffisamment ouvert d'esprit pour exploiter ce qui existe. »

Énergie de la Nouvelle-Angleterre

Le processus de recherche et développement a été mené dans un laboratoire de l'Utah. Les premières unités de production d'hydrogène seront situées dans une usine du New Hampshire.

Selon Irvin, la décision de baser la production en Nouvelle-Angleterre est liée à la hausse des coûts de l'énergie dans le nord des États-Unis. Avec ce site de production d'hydrogène, il espère fournir de l'électricité à un prix similaire à celui des contrats d'achat d'électricité (PPA), des tarifs plus courants dans les États du sud et de l'ouest.

« Nous avons reçu un soutien important de la part de la communauté et de l'État [du New Hampshire]. Nous prévoyons d'ouvrir l'établissement cette année, si possible au premier semestre », dit-il.

Le premier client de la centrale sera un centre de données mobile. À l'avenir, il est prévu de fournir de l'hydrogène à des clients payants. Il pourrait s'agir de compagnies maritimes qui pourraient utiliser l'hydrogène pour soutenir la décarbonation des moteurs et se conformer à la norme OMI 3. De futurs projets pourraient voir des centrales à charbon désaffectées adaptées à l'hydrogène et remises en service.

Tableau des couleurs de l'hydrogène (Graphique reproduit avec l'aimable autorisation du Journal of Petroleum Technology)

De retour dans le New Hampshire, Irvin explique que l'électricité proviendra d'une série de générateurs à combustible gazeux [3016] de Caterpillar qui ont été adaptés pour utiliser l'hydrogène.

Caterpillar développe ses propres groupes électrogènes à hydrogène, mais nous avons dû le faire seuls en raison du calendrier de production de ces unités. Ces unités constituent une première étape et ne représentent pas l'utilisation la plus efficace de notre carburant. Nous étudions des cas d'utilisation avec des laboratoires de combustion et avons réalisé des avancées significatives en matière de piles à combustible, de stockage du carburant et d'amélioration des techniques de transport du produit.

À titre d’explication, Irvin poursuit en disant que le produit Q Hydrogen est principalement composé d’hydrogène, mais contient des concentrations très mineures d’autres éléments qui contribuent à soutenir une gamme plus large d’utilisations industrielles.

« Je sais que je suis un peu vague, mais nous publierons également des détails à ce sujet », ajoute-t-il en souriant. « Nous avons découvert des choses vraiment intéressantes à faire avec l'hydrogène, utilisables dans de nombreux domaines. »

Perte d'énergie

L'énergie utilisée dans le procédé d'électrolyse de l'eau entraîne une réduction de 20 à 30 % de la valeur énergétique totale de l'hydrogène produit. Interrogé sur les pertes énergétiques associées au système développé par Q Hydrogen, Irvin affirme que les apports énergétiques sont « minimes » par rapport aux méthodes de production existantes.

« C’est ainsi que nous pouvons produire le carburant sur place, l’utiliser dans un groupe électrogène très inefficace et espérer quand même réaliser un bénéfice. »

L'IRA, ou loi de réduction de l'inflation de 2022, offre des crédits de production pour chaque kilogramme d'hydrogène propre « qualifié » produit dans une installation de production agréée. Irvin : « Je suis heureux que l'IRA existe, car elle donne une voix à la technologie et au secteur de l'hydrogène qui existent depuis longtemps, mais qui avaient besoin d'être stimulés, comme le solaire et l'éolien. Nous sommes en train de mettre en place ce processus, mais le recours aux subventions n'a jamais été notre priorité. »

L’efficacité de la méthode de production exclusive est telle que même si Q Hydrogen utilisera les subventions gouvernementales disponibles pour soutenir la production de H2, l’entreprise pourrait fonctionner de manière rentable sans aucune aide financière.

En réponse à ceux qui pourraient affirmer qu'un type d'énergie donné devrait être utilisé tel quel pour éviter les pertes inutiles, il explique que si l'énergie éolienne et solaire est généralement meilleure sous sa forme originale et non utilisée pour électrolyser l'eau, ce choix n'est pas offert à toutes les régions. De plus, cette technologie n'en est qu'à ses balbutiements.

L'énergie potentielle contenue dans une goutte d'eau est colossale. Je crois qu'une étude a démontré que si l'on pouvait potentialiser efficacement toute l'énergie d'une goutte d'eau, celle-ci pourrait alimenter San Francisco en électricité pendant un certain temps. Je crois que c'est vrai, mais nous n'en sommes qu'au début d'un voyage qui pourrait nous mener jusqu'ici.

Chemin d'avenir

L'opinion générale est aujourd'hui que l'hydrogène a un rôle à jouer dans le futur mix énergétique, mais seulement aux côtés des options existantes comme le gaz naturel, le diesel, l'essence et l'électricité. Mais Irvin est convaincu que l'hydrogène jouera un rôle majeur, grâce à des technologies comme celle développée par Q Hydrogen qui modifieront la trajectoire actuelle d'utilisation de l'hydrogène.

Je reviens tout juste d'une réunion gouvernementale en Irlande. On parlait de la façon dont la demande engendre des pénuries d'électricité. Aux États-Unis, certains projets de centres de données prévoient une interconnexion au réseau dans sept ou dix ans, faute de capacité suffisante. Je pense que l'hydrogène peut contribuer à résoudre ces problèmes ; il existe un potentiel pour de nouveaux centres de données entièrement autonomes et alimentés par l'hydrogène.

Les pipelines d'hydrogène feront probablement partie d'un système en étoile (Photo : Adobe Stock)

D'autres concurrents se positionnent sur le marché de l'énergie « à distance », notamment les réacteurs nucléaires basse consommation. Irvin estime que ces derniers auront un rôle à jouer, largement influencé par la situation géographique. « Il y aura de la place pour les microcentrales nucléaires et l'hydrogène, mais leur impact sur le marché sera différent. »

En ce qui concerne la livraison, il affirme qu’il existe un potentiel pour un pipeline national d’hydrogène, mais l’un des facteurs qui pourraient soutenir cela est l’état du produit final.

L'hydrogène que nous produisons se prêterait à un acheminement par pipeline. Mais en réalité, je pense que la production reposera sur un modèle en étoile. Il serait très coûteux de contenir et de transporter de l'hydrogène gazeux ou de l'hydrogène liquide cryogéniquement refroidi par pipeline.

Tout comme la technologie de production, Irvin ajoute que Q Hydrogen publiera plus de détails sur la possibilité de livrer de l'hydrogène via un pipeline dédié à une date ultérieure.