Le biohydrogène de manière réaliste : fermentation sombre, reformage du biogaz et électrolyse en unité de méthanisation

L’hydrogène est souvent présenté comme une solution universelle ou, à l’inverse, comme une technologie qui ne sera jamais rentable. La réalité se situe entre ces deux extrêmes et dépend de l’application envisagée. L’hydrogène issu de la biomasse et des déchets, appelé biohydrogène, constitue l’un des éléments du puzzle énergétique. Il peut s’avérer pertinent lorsqu’un débouché existe et que la matière première est à la fois bon marché et locale. À l’occasion d’une journée consacrée à l’autonomie énergétique, il convient de l’évaluer sans enthousiasme excessif ni préjugés, en s’appuyant sur un bilan objectif.

Trois réalités distinctes sous une même appellation

Le terme « biohydrogène » recouvre trois voies de production distinctes, chacune à un niveau de maturité différent. Un aperçu général est disponible dans l’article Biohydrogène : signification réelle et voies de production]. Nous les examinons ci-dessous sous l’angle de leur utilité à proximité d’une unité de méthanisation.

Fermentation sombre : prometteuse, mais encore immature

Dans la fermentation sombre, des bactéries décomposent les sucres en l’absence de lumière et d’oxygène, produisant de l’hydrogène et des acides gras volatils. La limite théorique est de quatre moles de H₂ par mole de glucose, correspondant à la voie métabolique avec l’acide acétique. Avec la voie de l’acide butyrique, ce rendement théorique est de deux moles. En pratique, lorsque d’autres produits se forment (par exemple, des lactates ou de l’éthanol) et qu’une partie de l’hydrogène est consommée dans des réactions secondaires, le rendement effectif est nettement inférieur, de l’ordre d’une à deux moles. Il subsiste des acides, dans lesquels se trouve encore la majeure partie de l’énergie du substrat. C’est pourquoi le concept en deux étapes associe l’étape de production d’hydrogène à une seconde étape, méthanogène. L’avantage réside dans l’utilisation de déchets riches en sucres facilement dégradables, tandis que les inconvénients incluent l’instabilité du processus, la faible concentration d’hydrogène dans le gaz produit et le coût de sa purification. Les détails sont décrits dans l’article Fermentation sombre : hydrogène à partir de déchets organiques, rendement et limites]. La technologie en est encore au stade de la recherche et des projets pilotes. À l’échelle industrielle, elle n’est pas encore largement déployée.

Reformage du biogaz et du biométhane

Le reformage à la vapeur transforme le méthane et la vapeur d’eau en hydrogène et en CO₂. Techniquement, il s’agit d’un procédé mature, bien connu dans l’industrie du gaz naturel. Alimenté par du biométhane ou du biogaz, il permet de produire de l’hydrogène à partir d’une source renouvelable. Cependant, chaque mole de méthane convertie en hydrogène représente une perte en termes de biométhane, et le rendement de la conversion reste inférieur à 100 %. Ce procédé prend tout son sens dans les cas suivants :

• le client a besoin d’hydrogène plutôt que de méthane, par exemple pour un processus industriel,
• il est possible de capter et de valoriser le CO₂ produit, qui est d’origine biogénique,
• l’absence d’accès au réseau gazier empêche la commercialisation du biométhane.

Le bilan est décrit dans l’article Reformage à la vapeur du biogaz et du biométhane en hydrogène : bilan et CO₂]. Un exemple d’intégration de lisier, de biométhane et d’hydrogène au Japon est présenté dans l’article Shikaoi à Hokkaido].

Électrolyse en unité de méthanisation

Un électrolyseur décompose l’eau en hydrogène et en oxygène en utilisant de l’énergie électrique. En unité de méthanisation, cette technologie offre trois possibilités supplémentaires : l’utilisation de l’oxygène (par exemple, pour la micro-oxygénation dans le cadre de la désulfuration ou pour le post-traitement de l’eau), la valorisation de la chaleur fatale produite par l’électrolyseur, et la combinaison de l’hydrogène avec du CO₂ biogénique dans le cadre de la méthanation, comme décrit dans l’article Méthanation et power-to-gas avec du CO₂ biogénique]. Toutefois, l’hydrogène issu de l’électrolyse n’est renouvelable que dans la mesure où l’électricité utilisée l’est également. Le règlement délégué 2023/1184 impose des conditions spécifiques pour les carburants renouvelables d’origine non biologique (RFNBO), telles que l’additionnalité et la corrélation temporelle. La consommation énergétique d’un électrolyseur est de l’ordre de 50 à 55 kWh par kilogramme d’hydrogène (valeur approximative, dépendant de la technologie et des conditions de fonctionnement), pour un pouvoir calorifique de l’hydrogène d’environ 33 kWh/kg. Cela signifie que le coût de l’énergie électrique et le nombre d’heures de fonctionnement déterminent la rentabilité du procédé. En cas de fonctionnement intermittent pendant les périodes de surplus d’électricité à bas coût, le coût en capital se répartit sur une quantité réduite de produit.

Où l’hydrogène est-il pertinent, et où ne l’est-il pas encore ?

Le principe directeur est le suivant : l’hydrogène trouve sa pertinence là où un débouché concret existe, et non comme une fin en soi. Dans la plupart des unités de méthanisation agricoles, le biométhane ou la production d’électricité et de chaleur offrent de meilleurs résultats. L’hydrogène émergera lorsque le marché et la technologie auront atteint un niveau de maturité suffisant.

Dépendance et autonomie

L’hydrogène n’est pas une source d’énergie primaire : sa production nécessite de l’énergie ou une matière première. Sa contribution à l’autonomie énergétique d’un pays dépend donc de l’origine de ces intrants. L’hydrogène produit à partir de déchets locaux et d’une énergie renouvelable locale peut renforcer l’autonomie locale, tandis que l’hydrogène issu de gaz importé la réduit. Il est essentiel de souligner que les décisions clés manquent encore de recul opérationnel. Il est donc utile d’observer les projets pilotes, d’en tirer des enseignements et de ne pas promettre davantage que ce que les mesures ont confirmé.

Articles de la série à consulter : L’indépendance énergétique commence localement et Le biométhane comme carburant national.