Une nouvelle technologie de pyrolyse au plasma de méthane pour produire de l’hydrogène

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Materia Nova développe un nouveau procédé de production d’hydrogène par pyrolyse plasma hybride dit méthane. Dès 2022, cet institut de recherche belge souhaite construire un pilote pré-industriel en s’associant à des partenaires industriels.

Environ 95 % de la production mondiale dehydrogène Il est fabriqué selon la technologie SMR (Steam methane reforming) à partir de gaz naturel ou selon le procédé de gazéification du charbon. Cet hydrogène est dit « gris » car sa production émet des quantités importantes de CO2. On parle de plus en plus d’hydrogène “vert” produit par électrolyse de l’eau à partir d’énergies renouvelables comme le solaire ou l’éolien. Il existe également une troisième voie, peu développée au niveau industriel, car difficile à mettre en œuvre économiquement, et qui consiste à réaliser la pyrolyse du méthane. Cet hydrogène qu’on appelle “turquoise”, Materia Nova y croit beaucoup. Cet institut de recherche, situé à Mons en Belgique, développe actuellement une nouvelle technologie appelée pyrolyse plasma hybride en vue de son industrialisation.

Plusieurs solutions technologiques peuvent être mises en œuvre pour réaliser la pyrolyse du méthane. Celui développé par Materia Nova est une adaptation d’un procédé appelé Kvaerner, développé en 1990, et aujourd’hui en phase de commercialisation par la société américaine Monolith. Mais selon Fabrizio Maseri, responsable de programme chez Materia Nova, cette technologie a des rendements limités et son plasma est mal utilisé : “Ce plasma est en fait utilisé pour chauffer le gaz à près de 2 000 degrés Kelvin pour mettre en œuvre la pyrolyse thermique conventionnelledit-il. De notre côté, nous utilisons un autre type de plasma dit hybrides, dont je ne peux dévoiler les noms pour des raisons de confidentialité, pour profiter non seulement de l’énergie thermique qu’ils contiennent, mais aussi de l’énergie électronique et vibratoire. Cette différence permet de dissocier le méthane sans trop élever la température. Cela évite les problèmes d’usure des matériaux qui ont du mal à résister à des températures aussi élevées et il n’est pas nécessaire d’arrêter le processus tous les jours pour le nettoyer. De cette façon, nous pouvons développer un processus industriel qui fonctionne 24 heures sur 24 et à faible coût. »

Les molécules de méthane sont plus faciles à séparer que les molécules d’eau.

Selon l’institut belge, sa technologie consomme intrinsèquement près de huit fois moins d’énergie que l’électrolyse de l’eau : 18,5 MJ (Mégajoules) par kg d’hydrogène produit contre 143. Cette différence s’explique par le fait qu’elle facilite grandement la séparation du méthane molécules. La pyrolyse plasma présente également l’avantage de ne pas consommer d’eau, un avantage par rapport à cette ressource limitée. Il faut savoir qu’il faut environ 10 tonnes d’eau pour produire une tonne d’hydrogène vert et entre 20 et 2 tonnes pour l’hydrogène gris.

Concernant les émissions de CO2, cette nouvelle technologie n’en produit pas car la pyrolyse du plasma s’effectue en l’absence d’oxygène. La technologie SMR émet entre 10 et 12 tonnes par tonne d’hydrogène. “Concernant l’électrolyse de l’eau, il est faux de dire qu’elle est neutre en carbone, explique Fabrice Maseri. En effet, il faut intégrer le CO2 produit pour construire les équipements qui produiront de l’électricité. Sur la base d’une analyse du cycle de vie, l’émission d’un parc éolien est de 11 g d’équivalent CO2 par kWhe (kilowattheure électrique) et celle d’un parc solaire est de 50. Il n’est pas possible d’utiliser les eaux usées ou l’eau de mer pour réaliser le l’électrolyse, car l’eau doit être extra pure. Pour cette raison, il est nécessaire de procéder à des traitements de l’eau, comme l’osmose inverse pour la purifier, mais qui produisent du CO2. »

Dès 2022, Materia Nova souhaite démarrer la mise en place d’un projet visant la production d’hydrogène par pyrolyse plasma grâce à un partenariat d’industriels, avec l’objectif de mettre en place un pilote préindustriel produisant 1 000 tonnes d’hydrogène chaque année. Une grande partie du méthane utilisé pour ce pilote proviendra du gaz naturel et sera donc d’origine fossile. “Nous sommes obligés de privilégier le gaz naturel car il est disponible en grande quantité et nous avons besoin de gros volumes”Complète Fabrice Maseri.

Puits d’une mine de charbon. Crédit photo : Nova Matter

Extraction de gaz pour alimenter la pyrolyse du plasma

Une petite fraction du méthane aura aussi l’originalité de provenir du gaz de mine, car même lorsqu’elles sont fermées, les mines de charbon situées en Wallonie mais aussi dans d’autres parties de l’Europe continuent de produire du grisou qui s’échappe à l’air libre. « Il est très utile d’éviter ces émissions en les récupérant, car le méthane est un puissant effet de serre23 fois plus puissant que le CO2 selon le GIEC, aperçu Fabrice Maseri. Pour notre part, nous considérons qu’il est même jusqu’à 40 fois plus puissant ». Le biométhane servira également à alimenter la pyrolyse du plasma. Etant donné qu’il contient une forte proportion de CO2, des prétraitements seront effectués pour le concentrer dans méthane à des concentrations équivalentes à celles du gaz naturel.

L’objectif de Materia Nova est de produire cet hydrogène turquoise à un prix aussi compétitif que l’hydrogène gris et de participer à la décarbonisation de l’industrie belge. Pour ce faire, l’Institut souhaite également valoriser le carbone solide, issu sous forme d’hydrogène, de la pyrolyse du méthane. Ce composé, également appelé “noir de carbone”, est utilisé pour fabriquer des pneus ou des colorants qui sont ensuite incorporés dans des peintures et des plastiques noirs. Il peut également être utilisé pour la fertilisation des sols en agriculture. « Actuellement, il est produit à partir de résidus pétroliers et d’huiles usagées, mais sa fabrication émet entre 3 et 4 tonnes de CO2 par tonne de carbone solide produit. Le consortium d’industriels qui soutient Materia Nova va donc commercialiser ce noir de carbone décarboné, mais aussi d’autres formes de carbone plus avancées, accessibles par pyrolyse plasma hybride et sans émission de CO2, comme le graphène ». Complète Fabrice Maseri.

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