La pyrolyse du méthane, de quoi parle-t-on ?
Définition et principes de base de la pyrolyse du méthane
La pyrolyse du méthane se réfère à un processus chimique de transformation du méthane en hydrogène. Lorsque l’hydrogène est fabriqué à partir de ce mécanisme, on parle d’hydrogène turquoise.
Concrètement, pour réaliser une action de pyrolyse de méthane, on fait monter la température de ce gaz à très haute température et sans oxygène. Avec la montée de cette chaleur et sans la présence d’oxygène, le méthane se décompose. Le phénomène permet alors de créer deux types de produits : du carbone (solide) et de l’hydrogène (gaz).
In fine, la pyrolyse permet de casser le méthane pour extraire les atomes d’hydrogène. Les produits de ces transformations sont de plusieurs ordres : on peut obtenir de l’hydrogène, du carbone ou encore du charbon.
En parallèle de la pyrolyse du méthane, on observe également la pratique de la pyrolyse du gaz naturel. En résulte également de l’hydrogène.
Le déploiement du processus de pyrolyse ces dernières années s’explique par le fait que c’est un atout pour réduire la dépendance à la filière pétrole, plus polluante et vouée à disparaître un jour.
Contexte environnemental et industriel de la production d'hydrogène turquoise
La pyrolyse du méthane est un processus qui intéresse de plus en plus pour réduire les émissions de CO2 globales de nos activités humaines sur le long terme.
En effet, l’hydrogène est un combustible plus propre qui peut remplacer d’autres gaz dans les processus industriels et qui peut être utilisé en tant que tel, dans les véhicules ou avec les piles à combustible.
La pyrolyse est employée dans l’industrie pour fabriquer des pneus à partir du carbone noir, l’autre produit issu du processus. On choisit également la pyrolyse pour créer des gaz de synthèse.
L’intérêt majeur de ce procédé industriel par rapport à un autre est son impact sur l’environnement. En effet, la pyrolyse du méthane ne génère aucun gaz à effet de serre. Elle est aussi peu énergivore. En comparaison à la production d’hydrogène par électrolyse, la technique demande entre 3 et 7 fois moins d’électricité.
De plus, la pyrolyse du méthane qui provient de biogaz, issu du processus de méthanisation, a un impact neutre. On dit même que son empreinte carbone est négative car le gaz a capté le CO2 de l’air.
Le processus de la pyrolyse du méthane
Description détaillée du processus avec la pyrolyse plasma
Le processus de pyrolyse du méthane réalisé par plasmas thermiques est la technique la plus avancée pour produire de l’hydrogène.
Un plasma thermique est un état de la matière où les atomes perdent ou forment des électrons, devenant des ions. Pour cela, il faut une mise à haute température à 1000°C (plasma froid) ou 2000°C (plasma chaud), sans présence d’oxygène.
À ce moment, on introduit le méthane et sous l’influence des plasmas thermiques, il se décompose. Les liaisons chimiques des différents éléments du méthane (quatre atomes d’hydrogène et une de carbone) sont rompues.
Il en résulte alors de l’hydrogène gazeux d’une part et de l’autre part, du carbone sous forme solide.
Le processus de conversion de pyrolyse par plasmas froids entraîne une réussite de conversion inférieure à 50% alors qu’avec un plasma chaud, la conversion a un taux de réussite de plus de 90%.
En jouant sur plusieurs paramètres comme la température ou la pression au cours de la réaction chimique, on peut améliorer le processus. Ainsi, on pourra favoriser la création de carbone ou la production d’hydrogène.
Facteurs clés et conditions de réaction
La pyrolyse du méthane nécessite plusieurs éléments essentiels. D’abord, il semble évident que le premier point important est la température. Pour que cela fonctionne, il faut au moins attendre 1000 degrés, voire 2000 degrés.
La pression est aussi un élément important pour que la réaction se produise. Celle-ci doit être réalisée à pression modérée, voire élevée. La pression peut être plus ou moins importante en fonction des objectifs du processus de production.
De plus, pour une réaction réussie, il faut aussi une matière première de qualité. Car on le sait, le degré de pureté du méthane peut rendre l’opération plus ou moins facile. En choisissant du méthane provenant de sources renouvelables ou issu de la capture du CO2, on parvient aussi à une réaction complètement neutre en carbone.
Enfin, pour réussir la pyrolyse du méthane il convient de ne pas oublier le besoin d’énergie d’activation. C’est-à-dire que la réaction doit se réaliser sous une haute température minimale et avec une intensité énergétique minimum sans laquelle la décomposition des atomes ne pourrait avoir lieu.
Tous les paramètres doivent être réunis pour que l’énergie d’activation soit suffisante au processus, notamment avec la pyrolyse par plasma.
Applications et utilisations de la pyrolyse du méthane
Production d’hydrogène
Nous l’avons vu, la pyrolyse du méthane a plusieurs objectifs : elle permet de créer l’hydrogène ou le carbone.
L’hydrogène est un combustible que l’on qualifie de propre. Il ne nécessite que peu d’eau et assez peu d’électricité pour être conçu.
Ainsi, le coût de l’hydrogène turquoise issu de la pyrolyse du méthane est presque similaire à l’hydrogène gris (fabriqué à partir de gaz naturel et du vaporeformage). On estime à environ 1,5€/kg d’hydrogène. À titre de comparaison, l’hydrogène vert avec l'électrolyse de l'eau a un coût estimé entre 4 et 6€/kg.
L’hydrogène turquoise est ensuite utilisé à plusieurs égards en tant que source d’énergie :
- Pour la production d’électricité;
- Dans les véhicules à hydrogène pour un transport plus faible en carbone;
- Dans les processus industriels qui ont une empreinte carbone très élevée comme la sidérurgie, la chimie, le ciment ou encore le raffinage.
Autres produits et sous-produits : carbone et noir de carbone
L'avantage de cette méthode, c'est qu'elle entraîne la création de d’autres sous-produits à côté de l’hydrogène.
D’abord, la réaction de la pyrolyse peut entraîner la formation de monoxyde de carbone (CO) et bien sûr d’hydrogène. Ce gaz de synthèse peut ensuite être valorisé dans l’industrie pour produire de l’ammoniac ou du méthanol.
L’autre sous-produit de la pyrolyse du méthane est évidemment la production de carbone solide. On l’appelle aussi “noir de carbone”. Ce produit est employé dans différentes industries pour :
- La création de caoutchouc industriel;
- Les encres et toners;
- Les mines de crayon;
- Les piles et batteries;
- Les revêtements de peinture…
Certains chercheurs mettent en avant la versatilité de ce matériau. Ainsi, on imagine bien qu’il puisse être utilisé à l’avenir dans les matériaux de construction ou les infrastructures routières.
Grâce à la valorisation du carbone solide, on peut encore faire baisser le coût de production du gaz à moins de 1€/kg. Ce qui fait de l’hydrogène turquoise un gaz promis à un grand avenir !
On peut le dire : les avantages de la pyrolyse du méthane sont nombreux, entre production de produits utiles et réduction des gaz à effet de serre. Le défi reste maintenant le déploiement de ce processus industriel à grandes échelles pour faire baisser les coûts de production.
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Les points à retenir sur la pyrolyse du méthane :
C'est quoi l'hydrogène turquoise ?
L'hydrogène turquoise est l'hydrogène qui résulte du phénomène de pyrolyse du méthane. Ainsi, on a besoin de méthane que l'on va chauffer à haute température. Cette réaction chimique entraîne la production d'hydrogène et de carbone.
Où se trouve le gaz méthane ?
Le méthane se trouve a plusieurs endroits sur terre, notamment dans des gisements de gaz naturel en sous-sol, dans les lieux de décharges de déchets organiques ou agricoles, ou encore dans les zones humides. Du méthane est également libéré au moment de l'extraction du charbon ou du pétrole.
Comment obtenir du méthane ?
En général, le méthane que l'on utilise pour le processus de pyrolyse du méthane provient principalement des gisements de gaz naturel. On peut aussi le retrouver en grande majorité dans les lieux où l'on procède à la méthanisation de déchets agricoles ou organiques variés. Ainsi, on utilise la décomposition anaérobie de matières organiques ce qui engendre la production de méthane.
