Reformage à la vapeur du biogaz et du biométhane en hydrogène : bilan, CO₂ et maturité

Le reformage à la vapeur du méthane (SMR, steam methane reforming) est la méthode la plus utilisée au monde pour produire de l’hydrogène à partir de gaz naturel. On peut aussi l’appliquer au biométhane ou au biogaz épuré : le méthane réagit avec la vapeur d’eau à une température de l’ordre de 700–900 °C sur un catalyseur au nickel, donnant un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone (gaz de synthèse), dont on tire de l’hydrogène après conversion du CO et épuration. Si la matière première est du biométhane durable, le CO₂ produit lors du procédé est d’origine biogénique, et l’hydrogène peut avoir une empreinte carbone nettement inférieure à celle de l’hydrogène issu de gaz fossile. La technologie de reformage est mature, tandis que son application aux sources de biogaz de petite échelle en reste au stade de la démonstration.

Réactions

1. Reformage : CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (endothermique, ΔH ≈ +206 kJ/mol ; nécessite de la chaleur).
2. Conversion du CO (water-gas shift) : CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (légèrement exothermique).
3. Réaction globale : CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂.

Stœchiométrie : 16 g de CH₄ donnent 8 g de H₂, soit, pour 1 kg de méthane, au maximum env. 0,5 kg d’hydrogène et 2,75 kg de CO₂ (selon la réaction globale). Du CO₂ supplémentaire provient de la combustion du combustible qui fournit la chaleur à la réaction endothermique.

Chaîne technologique

• Épuration de la matière première : élimination du soufre (qui empoisonne le catalyseur), des halogénures, des siloxanes.
• Réacteur de reformage avec catalyseur au Ni, four équipé de brûleurs.
• Réacteur de conversion du CO (à un ou deux étages).
• Épuration de l’hydrogène : le plus souvent par PSA jusqu’à une pureté >99,9 %.
• Valorisation du gaz résiduaire (tail gas) – souvent renvoyé vers les brûleurs.
• Éventuellement, captage du CO₂ dans le gaz de synthèse ou dans les fumées.

Bilan d’énergie et de masse (exemple)

Hypothèses : rendement énergétique (énergie du H₂ en PCI / énergie du méthane en PCI) de 70 % (valeur typique des installations industrielles de plus grande échelle, souvent inférieure dans les petites), PCI de l’hydrogène 33,3 kWh/kg, PCI du méthane 13,9 kWh/kg. Besoin en méthane pour 1 kg de H₂ : 33,3 / (0,70 × 13,9) ≈ 3,4 kg de CH₄ (env. 4,8 Nm³). Pour une installation produisant 100 kg de H₂/h, il faut donc env. 340 kg de CH₄/h (env. 480 Nm³/h). Cette quantité correspond à une unité de production de biométhane de taille moyenne. Les émissions de CO₂ du procédé sont d’env. 3,4 × 2,75 ≈ 9,4 kg de CO₂/kg de H₂ (à partir de la totalité du carbone du méthane), ce qui correspond à l’ordre de grandeur des émissions de l’hydrogène issu de gaz naturel (env. 9–10 kg de CO₂/kg de H₂ selon la littérature). Dans le cas du biométhane, le CO₂ est d’origine biogénique.

Biogaz utilisé directement

Au lieu d’épurer le biogaz en biométhane, on peut le reformer directement : le CO₂ est présent dans le biogaz dès l’origine et participe à ce que l’on appelle le reformage à sec ou mixte. Cela conduit à une simplification (pas d’épuration), mais exige des solutions résistantes aux impuretés et à une composition variable. De telles installations en sont au stade de la recherche et des pilotes.

Empreinte carbone

Selon l’origine du méthane et la présence d’un captage du CO₂, l’empreinte carbone de l’hydrogène peut aller de valeurs proches de celles du gaz fossile (lorsque la matière première est fossile, sans captage) à des valeurs très faibles, voire négatives (biométhane issu de lisier avec captage du CO₂). Dans le droit de l’UE, l’hydrogène issu de la biomasse est soumis aux règles applicables aux carburants issus de la biomasse (critères de durabilité), et non à celles des carburants renouvelables d’origine non biologique. Il ne faut pas confondre l’« hydrogène vert » (électrolytique, issu d’énergies renouvelables) avec l’hydrogène issu du biométhane.

Économie et échelle

Le reformage est plus rentable à grande échelle, où les coûts fixes se répartissent sur de grandes quantités d’hydrogène. Dans les petites installations agricoles, le coût unitaire augmente et il faut en outre ajouter l’épuration, la compression et la distribution de l’hydrogène. Pour cette raison, les applications réalistes dans les prochaines années sont les sites ayant un besoin existant en hydrogène et l’accès à de plus grandes quantités de biométhane.

Avantages et inconvénients

Avantages : technologie mature, rendement élevé, possibilité d’intégration avec le captage du CO₂, utilisation de l’infrastructure gazière existante.

Inconvénients : consommation de biométhane, qui a aussi d’autres usages ; émissions de CO₂ sans captage ; nécessité d’épurer la matière première ; complexité à petite échelle.

Ce qu’il faut éviter dans l’évaluation des projets

Lors de l’analyse des offres de reformage, il convient de vérifier si le rendement annoncé concerne l’ensemble du système (avec l’épuration, la compression et la valorisation du gaz résiduaire), quelle est la plage de charge et le temps de démarrage, et comment le CO₂ est valorisé. Une simplification fréquente consiste à omettre l’énergie de compression de l’hydrogène aux pressions de transport (plusieurs centaines de bars), qui peut ajouter entre quelques et une dizaine de pour cent à l’énergie contenue dans l’hydrogène. De même, il faut comptabiliser la consommation d’eau de procédé et d’électricité auxiliaire.

Conclusion

Le reformage du biométhane est la voie la plus proche du marché vers l’hydrogène issu de la biomasse, mais il faut garder à l’esprit qu’il consomme un précieux vecteur d’énergie. Il se justifie avant tout par un besoin local en hydrogène et par la possibilité de valoriser le CO₂.