PartagerDernières avancées dans la liquéfaction et le stockage de l'hydrogène
Plusieurs articles de synthèse présentent une vue d'ensemble de la chaîne d'approvisionnement en hydrogène liquide. Linde et Air Liquide, membres collectifs de l'IIF, contribuent à répondre à la demande mondiale d'hydrogène.
Selon l'AIE, l'hydrogène et les carburants à base d'hydrogène sont importants sur la feuille de route de la décarbonation du système énergétique mondial. Certes, les applications de l'hydrogène ne permettent qu'une faible réduction des émissions totales d'ici à 2030 dans le scénario "zéro net" de l’AIE, par rapport au déploiement des énergies renouvelables ou à l'électrification directe. Néanmoins, elles jouent un rôle fondamental dans les secteurs où les émissions sont difficiles à réduire, tels que l'industrie lourde, le transport maritime, l'aviation et les transports lourds.[1]
L'hydrogène peut être stocké sous différentes formes, notamment à l'état gazeux, liquide et solide, ainsi que sous forme de molécules chimiques dérivées. L'hydrogène liquide a fait l'objet d'une attention accrue, car il est le mieux adapté au transport de grands volumes d'hydrogène sur de longues distances. Cependant, il existe un certain nombre d’obstacles au développement des systèmes d'hydrogène liquide, tels qu’un processus de liquéfaction énergivore (∼13,8 kWh/kgLH2) et des pertes élevées d'hydrogène par évaporation (évaporation de l'hydrogène liquide pendant le stockage, de 1 à 5 % par jour).[2]
En outre, l'impact environnemental de l'hydrogène dépend de la manière dont il est produit :
- L'hydrogène gris repose sur la gazéification du charbon et le reformage à la vapeur du gaz naturel. Il est aujourd'hui massivement utilisé dans l'industrie car les coûts du reformage à la vapeur sont relativement faibles. Il émet au moins 10 kg de CO2 par kilo d'hydrogène produit.[3]
- L’hydrogène bleu a le même processus de production que l'hydrogène gris, mais il est complété par le captage et le stockage du carbone afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre.
- L'hydrogène vert est produit à partir d'énergies renouvelables et est l'hydrogène le plus approprié pour une transition énergétique entièrement durable. L'option technologique la plus établie pour produire de l'hydrogène vert est l'électrolyse de l'eau alimentée par de l'électricité renouvelable.
Procédés de liquéfaction de l'hydrogène
Bien que la liquéfaction de l'hydrogène soit considérée comme une technologie éprouvée, des améliorations restent nécessaires pour réduire la consommation d'énergie et accroître l'efficacité, ce qui est essentiel pour réduire le coût de la chaîne d'approvisionnement en hydrogène liquide.
Les méthodes de liquéfaction de l'hydrogène peuvent être globalement divisées en deux catégories en termes de cycles thermodynamiques : les cycles de liquéfaction courants (y compris les cycles de Linde-Hampson, les cycles de liquéfaction avec frigorigène, les cycles de Claude et les cycles de liquéfaction avec détendeur), et les cycles de froid magnétique.
Veuillez lire les articles de synthèse suivants pour plus d'informations sur la liquéfaction de l'hydrogène, les technologies de stockage cryogénique, les processus de regazéification de l'hydrogène liquide ainsi que les applications industrielles actuelles et les facteurs et obstacles qui font que l'hydrogène liquide devient un élément commercialement viable de l'économie mondiale émergente de l'hydrogène.
- Zhang T et al. 2023 Hydrogen liquefaction and storage: Recent progress and perspectives.
- Al Ghafri et al. 2022 Hydrogen liquefaction: a review of the fundamental physics, engineering practice and future opportunities.
Installations commerciales de liquéfaction de l'hydrogène
Au cours des 20 dernières années, des usines commerciales de liquéfaction de l'hydrogène ont été construites aux États-Unis, au Japon, en Allemagne, en Australie et en Corée.[3] Les installations récemment construites sont basées sur des cycles de Claude modifiés. Le cycle de Claude simple pour la production d'hydrogène liquide donne un rendement de liquéfaction de 8 %, une consommation d'énergie spécifique de 22,1 kWh/kgH2 et une efficacité exergétique de 18,1 %.[2]
En 2021, Linde, membre de l'IIF, a doublé sa capacité de liquéfaction d'hydrogène sur son site de Leuna en Allemagne (inauguré en 2008) en mettant en service une deuxième usine.[3, 4] Le gaz naturel étant une ressource fossile, l'hydrogène produit est appelé « hydrogène gris ». À l'heure actuelle, l'hydrogène gris représente encore plus de 90 % du mélange d'hydrogène à Leuna. Bien que la même installation puisse être utilisée pour produire de l'hydrogène gris et vert, le biométhane utilisé pour produire de l'hydrogène vert est une ressource plus limitée que le gaz naturel. Selon Linde, l'hydrogène vert représente actuellement 5 % de la production de Leuna.[4]
En 2022, Air Liquide, membre de l'IIF, a inauguré sa plus grande installation de production d'hydrogène liquide et d'infrastructure logistique au Nord de Las Vegas, aux États-Unis.[5] L'installation produira 30 tonnes d'hydrogène liquide par jour, notamment pour desservir le marché croissant de la mobilité propre sur la côte ouest des États-Unis. Entièrement alimentée par de l'électricité renouvelable, l'installation peut également utiliser du gaz naturel renouvelable pour répondre à la norme californienne sur les carburants à faible teneur en carbone (LCFS) lorsqu'elle approvisionne le marché californien de la mobilité.[5]
Hydrogen re-liquefaction process for boil-off gas handling on a large-scale liquid hydrogen carrier.
Sources
[1] IEA (2022), Hydrogen, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/hydrogen , License: CC BY 4.0
[2] Zhang, T., Uratani, J., Huang, Y., Xu, L., Griffiths, S., & Ding, Y. (2023). Hydrogen liquefaction and storage: Recent progress and perspectives. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 176, 113204. https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113204
[3] Yue, M., Lambert, H., Pahon, E., Roche, R., Jemei, S., & Hissel, D. (2021). Hydrogen energy systems: A critical review of technologies, applications, trends and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 146, 111180. https://iifiir.org/en/fridoc/hydrogen-energy-systems-a-critical-review-of-technologies-144416
[3] Al Ghafri, S. Z., Munro, S., Cardella, U., Funke, T., Notardonato, W., Trusler, J. M., ... & May, E. F. (2022). Hydrogen liquefaction: a review of the fundamental physics, engineering practice and future opportunities. Energy & environmental science, 15(7), 2690-2731. https://doi.org/10.1039/D2EE00099G
Credits image: Air Liquide Las Vegas H2 plant