Hydrogène vert : la coproduction de produits chimiques de valeur augmente la rentabilité
Le concept de coproduction est très flexible ; la même installation peut fabriquer différents produits en fonction des besoins
Il est clair que cela fonctionne : il existe déjà aujourd'hui des approches permettant d'utiliser l'énergie solaire pour l'électrolyse de l'eau et de produire de l'hydrogène. Malheureusement, cet hydrogène "vert" est jusqu'à présent plus cher que l'hydrogène "gris" issu du gaz naturel. Pourtant, la production d'hydrogène vert à partir de la lumière solaire peut devenir rentable, comme le montre une étude du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) et de l'Université technique de Berlin : une partie de l'hydrogène est utilisée pour transformer des produits chimiques bruts issus de la biomasse en produits chimiques de haute qualité pour l'industrie. Ce concept de coproduction est très flexible ; dans la même installation, différents produits peuvent être fabriqués en fonction des besoins.
Nous devons nous passer de combustibles fossiles dès que possible afin de limiter le réchauffement climatique. Dans le système énergétique du futur, l'hydrogène "vert" jouera donc un rôle important dans le stockage de l'énergie, comme combustible et comme matière première renouvelable pour la production de produits chimiques. Actuellement, l'hydrogène est toutefois principalement produit à partir de gaz naturel fossile (hydrogène gris). L'hydrogène "vert", quant à lui, est produit par électrolyse de l'eau à l'aide d'énergies renouvelables. L'utilisation d'installations photoélectrochimiques (PEC) pour produire de l'hydrogène à l'aide de l'énergie solaire est une approche prometteuse. Toutefois, l'hydrogène produit par les installations PEC est encore beaucoup plus cher que l'hydrogène produit à partir du méthane (fossile).
Contrôle total des réactions
Une équipe dirigée par le chimiste Fatwa Abdi (jusqu'à mi-2023 au HZB, maintenant à la City University de Hong Kong) et Reinhard Schomäcker (UniSysCat, TU Berlin) a maintenant étudié comment le bilan change lorsqu'une partie de l'hydrogène est utilisée pour produire de l'acide méthylsuccinique (MSA) avec de l'acide itaconique (IA) - et ce au sein de la même installation PEC. La matière première, l'acide itaconique, provient de la biomasse et est introduite. L'acide méthylsuccinique est un produit chimique de haute qualité utilisé par l'industrie chimique et pharmaceutique.
Dans l'étude, l'équipe décrit comment les réactions chimiques peuvent être contrôlées dans l'installation PEC : Pour cela, ils ont fait varier les paramètres du processus et la concentration du catalyseur homogène à base de rhodium, qui est soluble dans l'eau et déjà actif à température ambiante. Ils ont ainsi pu utiliser différentes proportions d'hydrogène pour l'hydrogénation de l'acide itaconique et réguler de manière ciblée la production d'acide méthylsuccinique vers le haut ou vers le bas.
À partir de 11% d'hydrogène pour le MSA, l'installation devient rentable.
Avec un rendement réaliste de l'installation PEC de 10% et en tenant compte des coûts primaires ainsi que des coûts d'exploitation, de maintenance et de fermeture, la production d'hydrogène PEC pur reste trop chère par rapport à la production à partir de méthane fossile. Cela reste vrai même si l'on considère que la durée de vie de l'installation PEC est de 40 ans.
Ce bilan change si l'électrolyse PEC est couplée au processus d'hydrogénation. Même si seulement 11 % de l'hydrogène produit est converti en MSA, le coût tombe à 1,5 € par kilogramme d'hydrogène, soit le même niveau que pour l'hydrogène issu du reformage à la vapeur de méthane. Ceci est déjà valable à partir d'une durée de vie de l'installation PEC de seulement 5 ans ! Comme le prix du marché de l'AMS est nettement plus élevé que celui de l'hydrogène, une plus grande quantité d'AMS augmente encore la rentabilité. Lors de l'expérience, il a été possible d'utiliser de manière ciblée entre 11% et jusqu'à 60% de l'hydrogène pour la production de MSA.
De plus, comme l'a montré l'équipe de recherche dans une étude précédente, la coproduction de MSA réduit également la durée d'amortissement énergétique, c'est-à-dire le temps pendant lequel l'installation doit fonctionner pour récupérer l'énergie qu'elle a coûté à produire.
La co-production peut être commutée de manière flexible
Un grand avantage de la technologie présentée ici : au lieu du MSA, d'autres composés peuvent en principe être produits dans l'installation en tant que co-produits, si l'on utilise d'autres matières premières et d'autres catalyseurs, par exemple l'acétone pourrait être hydrogénée en isopropanol. "Nous avons découvert ici une voie prometteuse pour rendre la production d'hydrogène solaire rentable", déclare Fatwa Abdi.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Keisuke Obata, Michael Schwarze, Tabea A. Thiel, Xinyi Zhang, Babu Radhakrishnan, Ibbi Y. Ahmet, Roel van de Krol, Reinhard Schomäcker, Fatwa F. Abdi; "Solar-driven upgrading of biomass by coupled hydrogenation using in situ (photo)electrochemically generated H2"; Nature Communications, Volume 14, 2023-9-27
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