Biohydrogène : ce que le terme signifie réellement et quelles sont les voies de production

Le biohydrogène est de l’hydrogène obtenu à partir de biomasse, de déchets organiques ou de biogaz, et non par électrolyse de l’eau ni à partir de gaz naturel fossile. Il comprend quatre grandes voies : la fermentation sombre, la photofermentation, le vaporeformage du biogaz ou du biométhane et la gazéification de la biomasse. Les voies biologiques font encore principalement l’objet de recherches et de pilotes, tandis que les voies thermochimiques ont un caractère industriel, mais ne sont que depuis peu adaptées aux matières premières renouvelables. Le nom « biohydrogène » n’est pas une catégorie juridique officielle ; on l’emploie dans le langage courant et il faut le distinguer de l’hydrogène renouvelable issu de l’électrolyse.

Quatre voies

Ce que recouvre la notion et ce qu’elle exclut

• L’hydrogène issu d’une électrolyse alimentée par l’électricité d’une unité de méthanisation est, en pratique, de l’hydrogène électrolytique. Dans le droit de l’UE, il est classé selon l’origine de l’électricité, et non comme un carburant issu de la biomasse.
• L’hydrogène issu du reformage du biométhane est un carburant issu de la biomasse si le biométhane satisfait aux critères de durabilité. Le reformage émet du CO₂, mais biogénique.
• L’hydrogène issu du gaz naturel avec captage du CO₂ est un hydrogène fossile « bas carbone », et non du biohydrogène.

Pourquoi le biohydrogène est intéressant

Les unités de méthanisation et de production de biométhane sont des sources décentralisées de matière première renouvelable, et l’hydrogène a des applications que le biométhane ne couvre pas : industrie chimique (ammoniac, raffineries), sidérurgie, une partie des transports. Les voies biologiques pourraient en outre valoriser des déchets de faible valeur, comme le lactosérum ou les restes de fruits. L’intérêt croissant pour l’hydrogène dans l’UE découle des objectifs de neutralité climatique.

Limites

1. Rendement biologique. En théorie, la fermentation sombre peut produire au maximum 4 moles de H₂ par mole de glucose (voie acétate) ; en pratique, on en obtient nettement moins, car le reste de l’énergie demeure dans les acides organiques.
2. Mélange de gaz. Le biogaz issu de la fermentation sombre contient du H₂ et du CO₂, parfois du CH₄ et du H₂S ; sa purification jusqu’à la qualité carburant exige des étapes supplémentaires.
3. Échelle. La biomasse est limitée et concurrence d’autres usages.
4. Coût. La purification, la compression et le stockage de l’hydrogène sont coûteux et énergivores.

Exemple : quelle quantité d’hydrogène à partir de 1 m³ de méthane

Vaporeformage avec conversion du CO : CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂. En théorie, 1 mole de méthane donne 4 moles d’hydrogène, soit, pour 1 m³ de CH₄, env. 4 m³ de H₂ (pour une masse volumique de l’hydrogène d’env. 0,09 kg/m³, cela représente env. 0,36 kg de H₂). En pratique, le rendement énergétique du reformage au niveau de l’installation est généralement de quelques dizaines de pour cent par rapport à l’énergie du gaz entrant, selon l’échelle et l’intégration thermique. Conclusion : transformer le biométhane en hydrogène se justifie là où l’hydrogène est indispensable, et non comme moyen général de valoriser le biométhane.

Ce qui se passe dans l’UE

En juillet 2020, la Commission européenne a présenté la stratégie pour l’hydrogène en vue d’une Europe climatiquement neutre. La priorité est donnée à l’hydrogène renouvelable issu de l’électrolyse alimentée par des énergies renouvelables, le rôle des autres sources étant complémentaire. Pour le secteur du biogaz, le biohydrogène est donc une voie de niche, mais il vaut la peine de suivre les recherches et les pilotes.

Comment évaluer les annonces sur le « biohydrogène »

Dans les communiqués de presse, les termes « biohydrogène », « hydrogène vert » et « hydrogène issu du biogaz » sont parfois confondus. Pour chaque projet, il convient de se poser trois questions. Premièrement, d’où proviennent l’énergie et la matière première : biomasse, biogaz ou électricité d’origine renouvelable ? Deuxièmement, à quelle échelle l’installation fonctionne-t-elle (laboratoire, pilote, démonstration, installation commerciale) et quel rendement déclare-t-elle ? Troisièmement, comment le bilan des émissions est-il calculé : tient-il compte de la compression, de la purification et du transport de l’hydrogène ainsi que des émissions de méthane dans la chaîne du biogaz ? Seules les réponses à ces questions permettent de juger si l’on a affaire à une technologie prête à être déployée ou à une piste de recherche prometteuse. Dans cette série, nous indiquons donc pour chaque voie un ordre de grandeur de maturité, et non des promesses de coûts.

Conclusion

Le biohydrogène est un ensemble de technologies de maturité variable, de la fermentation de laboratoire au reformage connu à l’échelle industrielle. Pour évaluer des offres et des projets, il convient de s’interroger sur le niveau de maturité technologique, le bilan d’énergie et d’émissions, ainsi que sur l’existence d’un véritable marché pour le produit. Dans les prochains articles, nous présentons chacune des voies.