Découvert en 1766 par Cavendish comme un gaz combustible formé lors de la réaction entre les métaux et les acides et baptisé « le formateur de l'eau » par Lavoisier en 1783, l'hydrogène est l'élément chimique le plus simple et le plus abondant, représentant 75% de la masse de l'Univers, mais constitue moins de 1% de la masse de notre planète Terre, presque toujours associée à d'autres éléments, comme l'oxygène dans l'eau.

L'hydrogène a des propriétés différentes des autres gaz, ce qui peut représenter des avantages, comme un pouvoir calorifique élevé, ou des difficultés, comme une faible densité (moins de 10% de la densité de l'air), une vitesse de flamme élevée et, curieusement, être l'un des rares gaz qui s'échauffe en se dilatant, imposer son refroidissement en alimentant en toute sécurité des réservoirs devant résister à des pressions très élevées, de l'ordre de 900 atmosphères.

Si l'utilisation de l'hydrogène à des fins énergétiques a longtemps été suggérée par des visionnaires comme Jules Verne, son coût élevé, comparé aux énergies fossiles, a été un frein à sa diffusion dans ces applications. Cependant, de nos jours, les applications industrielles de l'hydrogène sont importantes, en particulier dans le raffinage du pétrole et la production d'ammoniac, avec une demande mondiale d'environ 75 millions de tonnes par an, produites essentiellement à partir de gaz naturel et de pétrole, avec l'émission importante de dioxyde de carbone fossile et, par conséquent , augmentant l'effet de serre dans l'atmosphère. C'est donc un hydrogène indésirable.

Dans le contexte de la transition énergétique mondiale actuelle, avec le remplacement des sources d'énergie fossiles par des sources d'énergie renouvelables, répondant aux objectifs de décarbonation des matrices énergétiques, d'augmentation de la sécurité énergétique et de la rationalité économique, l'hydrogène que tout le monde recherche est l'hydrogène vert, c'est-à-dire l'hydrogène produit à partir d'énergies renouvelables, remplaçant l'hydrogène "sale" dans les usages comme matière première et ouvrant de nouveaux marchés dans le secteur de l'énergie, comme combustible dans les fours et chaudières des industries, dans les systèmes de stockage d'énergie (de plus en plus nécessaires en raison de l'expansion de la production intermittente d'énergie éolienne et centrales solaires) et dans le secteur des transports, où le diesel, l'essence et le kérosène dominent encore largement. En ce sens, plusieurs agences projettent une expansion majeure de la production d'hydrogène renouvelable, nécessitant des investissements de plus de 200 milliards de dollars, pour répondre à une demande attendue d'environ 550 millions de tonnes en 2050. Le chiffre surligné indique les projets actuellement en cours, notamment en Europe et en Europe. Asie.

Procédés de production d'hydrogène renouvelable: Les voies technologiques les plus prometteuses pour la production d'hydrogène renouvelable sont:

a) de l'électricité, par le processus d'électrolyse, dans lequel l'eau est séparée en ses composants. C'est le processus le plus mature et le plus largement adopté dans les projets en cours de réalisation, dans lesquels l'électricité doit être produite à partir de sources renouvelables;
b) à partir de la biomasse, par trois alternatives: (1) la réforme du biométhane, principal composant du biogaz, (2) la réforme de l'éthanol, procédés endothermiques similaires et technologiquement matures, dans lesquels, avec des catalyseurs et de l'eau adéquats, l'énergie de ces les biocarburants permettent de maintenir les réacteurs (reformateurs) à des températures comprises entre 650 et 900 degrés centigrades, et de produire des flux avec de l'hydrogène, qui peuvent être purifiés à des niveaux élevés, et (3) dans des procédés de gazéification de biomasse solide à faible coût, produisant des gaz avec des niveaux d' hydrogène inférieurs, mais qui peut aussi être purifié. Ces derniers procédés sont en cours de développement, avec des résultats prometteurs sans toutefois avoir encore démontré leur viabilité économique.

Au préalable, en comparant les coûts de production d'hydrogène dans les électrolyseurs et par reformage d'éthanol, sans tenir compte des investissements en équipements et installations (certes plus élevés en électrolyse) et en ne prenant en compte que les coûts des intrants (électricité et éthanol), il est possible d'obtenir le courbe de parité indiquée dans la figure en surbrillance. En résumé, l'éthanol est compétitif dans la production d'hydrogène, compte tenu des valeurs actuelles de l'énergie électrique, qui, uniquement à des valeurs très basses, est la meilleure option.

Initiatives au Brésil pour produire de l'hydrogène impliquant la biomasse: Pour le Brésil, avec une bonne dotation en ressources naturelles et la maîtrise des technologies bioénergétiques, la biomasse est configurée comme une alternative à potentiel effectif dans l'économie de l'hydrogène et qui a fait l'objet d' initiatives aussi innovantes qu'intéressantes, présenté ci-dessous.

Hydrogène issu de la reformation de l'éthanol. La société Hytron, de Sumaré, São Paulo, fondée en 2003 en tant que sous-produit de l'Universidade Estadual de Campinas, a été constituée, en 2020, par le groupe NEA Neuman et Esser, d'Aix-la-Chapelle, en Allemagne, renforçant ses performances dans l'intégration de systèmes axés sur l'hydrogène. Parmi ses produits, avec sa propre technologie, Hytron propose une gamme de systèmes de production d'hydrogène par reformage d'éthanol, d'une capacité allant jusqu'à 750 kilogrammes d'hydrogène par jour, consommant 7,65 litres d'éthanol et 2,35 kilowattheures par kilogramme d'hydrogène produit.   

Véhicules électriques à pile à hydrogène générés par la réforme de l'éthanol embarqué. Depuis 2016, le constructeur automobile Nissan développe, avec des entités brésiliennes et japonaises, des véhicules électriques dans lesquels l'électricité est générée dans des piles à combustible à oxyde solide, alimentées par l'hydrogène produit dans le véhicule lui-même, grâce à la reformation catalytique de l'éthanol. Les tests ont montré la faisabilité technique, le prototype étant monté sur une camionnette faisant environ 30 kilomètres par litre d'éthanol. Le projet est toujours en cours de développement, visant à améliorer les performances et à réduire le volume occupé par le reformeur. D'autres constructeurs automobiles se sont montrés intéressés par cette solution pour l'électrification de leurs modèles.

Production d'ammoniac vert à partir d'hydrogène issu du reformage du biométhane issu de la biodigestion de la vinasse éthanol. En 2021, les sociétés Raízen et Yara ont créé un consortium pour la production d'ammoniac vert, à partir d'hydrogène produit à partir de biométhane issu du biogaz de la vinasse. Une caractéristique intéressante de ce projet est que le biométhane sera produit à Piracicaba, injecté dans le pipeline Gasbol et transporté à Cubatão, sur la côte de São Paulo, où il sera utilisé pour produire de l'hydrogène et, à partir de là, de l'ammoniac à faible empreinte carbone.

À titre d'exercice, si l'on considère que 4,85 mètres cubes de biométhane produisent 1 kilogramme d'hydrogène qui, combiné à l'azote, donne 5,67 kilogrammes d'ammoniac, l'estimation récente de l'Association brésilienne du biogaz d'une production de 2,2 millions de mètres cubes par jour de biométhane au Brésil, en 2027, pourrait représenter environ 940 000 tonnes d'ammoniac vert par an, soit 40% de plus que la consommation nationale apparente d'ammoniac fertilisant en 2017.

Bien que ces notes soient dédiées à l'hydrogène issu de la biomasse, il convient de mentionner que d'autres voies reliant l'hydrogène renouvelable et la biomasse progressent. A titre d'exemple, le projet Ômega Green, mis en œuvre par BSBios Le Paraguay, avec des investissements d'environ un milliard de dollars, utilisera l'hydrogène produit avec l'hydroélectricité, abondante dans le pays voisin, et les huiles végétales paraguayennes pour fabriquer du diesel vert et du biocarburant aéronautique renouvelable, dans un volume équivalent à plus d'un milliard de litres par an, en grande partie pour exposer le goudron. Des entreprises brésiliennes lancent des projets dans ce sens.

En conclusion
L'hydrogène n'est pas et ne doit pas être considéré comme une nouvelle source d'énergie. L'hydrogène est en effet un vecteur énergétique, peut-être une technologie prometteuse pour le transport de l'énergie, capable de véhiculer cette « capacité de transformation » que nous appelons énergie. Il a des propriétés uniques et, lorsqu'il est produit avec une faible empreinte carbone, il pourrait être un élément pertinent de la transition énergétique mondiale, élargissant l'espace pour les énergies renouvelables et durables.

Il y a des défis techniques et économiques à surmonter, mais le fort intérêt de certains pays et entreprises pour son développement crée des conditions favorables à la création effective d'une nouvelle industrie de l'énergie, axée sur la production et l'utilisation de l'hydrogène.

Dans ce monde qui s'annonce, la bioénergie trouve des opportunités nouvelles et pertinentes, comme nous cherchons à le signaler dans ces notes. Empruntant quelques calculs à Daniel Lopes, de NEA Hytron, qui a considéré les différents vecteurs énergétiques que la canne à sucre est capable de fournir, éthanol de première et deuxième génération, biogaz et bioélectricité, chaque tonne de canne est capable de produire 17,8 kilogrammes d'hydrogène.

Ainsi, juste en spéculant, les 654 millions de tonnes de canne que le Brésil a récoltées lors de la récolte 2020-2021 pourraient, en théorie, produire 11,6 millions de tonnes d'hydrogène, dont la production par électrolyse consommerait 568 térawatts heure, soit 14% de plus que la consommation nationale d'électricité. énergie constatée en 2022. Dans ce contexte, y a-t-il une place pour la biomasse dans l'économie de l'hydrogène?