Le reformage du gaz naturel expliqué : Une méthode clé pour la production d'hydrogène

Qu'est-ce que le reformage du gaz naturel et pourquoi est-ce important ?

Le reformage industriel du méthane à la vapeur est l'une des méthodes les plus anciennes et les plus répandues de production d'hydrogène pur et constitue un élément essentiel de l'approvisionnement énergétique mondial. Parmi ces techniques, le reformage du méthane à la vapeur (SMR) est la plus populaire en raison de son efficacité élevée et de la disponibilité de l'infrastructure nécessaire. La principale différence est que ce processus de flux gazeux est particulièrement important, car l'hydrogène gazeux est l'un des éléments les plus importants de la transition vers des systèmes énergétiques plus propres, car il a un grand potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre.

L'hydrogène de reformage du gaz naturel est utilisé dans différentes industries et applications. Il s'agit d'un combustible stratégique pour les piles à combustible utilisées dans les voitures électriques et d'autres applications liées aux énergies renouvelables. Outre l'énergie, l'hydrogène est utilisé dans la fabrication d'ammoniac pour les engrais, de méthanol pour les produits chimiques et même de carburant pour les avions et les jets. La capacité de produire de l'hydrogène à l'échelle industrielle garantit sa position en tant qu'élément clé du passage mondial à l'énergie durable.

Toutefois, ce processus n'est pas sans poser de problèmes. Bien qu'il soit bon marché et couramment utilisé, il dépend de combustibles fossiles tels que le méthane, ce qui entraîne une forte empreinte carbone. Pour y remédier, des technologies de captage et de stockage du carbone (CSC) sont nécessaires pour réduire ses effets sur l'environnement. Par ailleurs, le reformage du gaz naturel produit de l'hydrogène et du dioxyde de carbone, et l'hydrogène produit doit être purifié pour une utilisation commerciale. Le principal défi à relever pour poursuivre le développement de cette technologie est de parvenir à un juste équilibre entre l'efficacité du processus, l'extensibilité et la durabilité.

Comment cela fonctionne-t-il ? Exploration de la science du reformage du gaz naturel

Le reformage du gaz naturel est un processus essentiel pour produire de l'hydrogène, qui est utilisé dans des secteurs tels que les produits chimiques, l'énergie et les piles à combustible. Le processus comprend trois étapes principales : le prétraitement du gaz brut, la réaction de reformage et la purification du gaz de synthèse. Il est donc pertinent d'examiner chaque étape comme suit.

Étape 1 : Prétraitement des gaz bruts

Le gaz naturel brut est principalement constitué de méthane, mais il contient entre 0,1 et 2% d'impuretés telles que des composés sulfurés, de la vapeur d'eau et d'autres hydrocarbures lourds. Lorsqu'elles sont ingérées par les catalyseurs, elles les empoisonnent et entraînent une contamination et un impact négatif sur le processus en aval, d'où la nécessité d'un processus de prétraitement initial pour garantir le bon déroulement du processus et ne pas réduire la durée de vie du catalyseur.

L'élimination des composés contenant du soufre est l'une des activités les plus critiques à ce stade. Les impuretés telles que le sulfure d'hydrogène (H₂S) sont adsorbées par des substances telles que l'oxyde de zinc (ZnO), qui réagissent avec le soufre pour donner du sulfure de zinc solide (ZnS). Ce processus permet de ramener la teneur en soufre en dessous de 0,1 ppm afin de protéger les catalyseurs de reformage sensibles.

Le séchage est tout aussi important car l'humidité entrave les réactions de reformage ainsi que les étapes de purification ultérieures. Parmi tous les agents de séchage, les tamis moléculaires (4A, 5A, 13X) sont préférés en raison de leur grande sélectivité, de leur stabilité thermique et de leur capacité à éliminer l'humidité à des niveaux très bas. Ils sont plus performants que d'autres matériaux tels que l'alumine activée, qui convient mieux aux applications à faible taux d'humidité ou à haute température, et le gel de silice, qui est utilisé comme déshydratant de seconde couche. Les tamis moléculaires sont préférés car ils ont une durée de vie plus longue et sont plus efficaces dans l'élimination de l'eau, ce qui permet d'obtenir une alimentation en méthane très sèche.

Enfin, les hydrocarbures de poids moléculaire élevé sont éliminés pour éviter la formation de coke sur les catalyseurs et rendre ainsi le processus en aval plus fiable et plus durable. À la fin de cette étape, le gaz naturel est un flux de méthane purifié prêt pour la réaction de reformage.

Étape 2 : Réaction de reformage

Le méthane purifié est ensuite converti en gaz de synthèse, qui est une combinaison d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone. Cette étape se déroule à une température élevée, normalement comprise entre 800 et 1 000 °C, et utilise un catalyseur à base de nickel pour favoriser les réactions.

Le reformage du méthane à la vapeur (SMR) est le processus de reformage le plus répandu dans l'industrie. Le gaz de synthèse est produit à partir du méthane par conversion de la vapeur à l'aide d'un catalyseur. Cette réaction est très efficace et permet une conversion du méthane supérieure à 95%.

Il existe d'autres types de procédés de reformage, comme le reformage auto thermique (ATR), qui peuvent être utilisés à la place (ou en complément) du SMR. L'ATR intègre l'oxydation partielle au reformage à la vapeur et génère de la chaleur au sein du processus, réduisant ainsi la demande d'énergie externe. Cette méthode est privilégiée dans les applications où les crédits carbone et les économies d'énergie sont d'une importance capitale.

L'étape du reformage comprend également la réaction de transfert eau-gaz (WGS). Il s'agit d'une réaction secondaire par laquelle le monoxyde de carbone réagit avec l'eau et forme davantage d'hydrogène et de dioxyde de carbone. La réaction WGS optimise le rendement en hydrogène tout en diminuant la teneur en monoxyde de carbone dans le gaz de synthèse afin de faciliter la purification dans une étape ultérieure.

Étape 3 : Purification du gaz de synthèse

L'étape finale du reformage du gaz naturel est la purification du gaz de synthèse jusqu'au niveau de l'hydrogène ultra-pur, avec un niveau de pureté souvent supérieur à 99,99 %. Cela signifie que les espèces indésirables telles que le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, le méthane, l'eau et d'autres sont éliminées car elles peuvent affecter les utilisations ultérieures.

La procédure commence par l'optimisation du transfert eau-gaz, par lequel le monoxyde de carbone résiduel dans le gaz de synthèse réagit avec la vapeur pour générer de l'hydrogène et du dioxyde de carbone supplémentaires. Cette étape permet non seulement d'améliorer le rendement en hydrogène, mais aussi de réduire les niveaux de monoxyde de carbone pour faciliter l'élimination.

Ensuite, l'élimination du dioxyde de carbone se fait soit par absorption chimique avec des amines, soit par adsorption modulée en pression (AMP). Le lavage aux amines fait réagir le CO₂ avec des solvants chimiques, tandis que l'adsorption modulée en pression utilise des matériaux adsorbants tels que les zéolithes pour adsorber sélectivement le CO₂ et récupérer plus de 85% de l'hydrogène.

La méthanisation élimine ensuite l'oxyde de carbone résiduel en le convertissant en méthane et en eau à l'aide d'hydrogène. Cette étape permet de réduire le niveau de CO à moins de 10 ppm, ce qui rend le flux d'hydrogène sûr pour les applications sensibles telles que les piles à combustible.

La plupart des gens négligent le séchage dans la purification, mais le fait que même une trace d'humidité peut endommager l'équipement. Les tamis moléculaires (5A, 13X) sont les déshydratants les plus utilisés en raison de leur grande capacité d'adsorption d'eau, de leur stabilité thermique et de leur longue durée de vie. Les applications à faible humidité ou à haute température nécessitent d'autres matériaux tels que l'alumine activée, tandis que le gel de silice est utilisé comme déshydratant de secours. Néanmoins, les tamis moléculaires sont plus souhaitables en raison de leur efficacité à fournir des points de rosée extrêmement bas et, par conséquent, la qualité et la stabilité du flux d'hydrogène.

Enfin, il reste un dispositif comme la distillation cryogénique ou la technologie des membranes pour éliminer la perte d'impuretés. Dans les installations utilisant la technologie CSC, le CO₂ est capturé et stocké après avoir été comprimé, ce qui permet de réduire les émissions de 90%.

Le reformage du gaz naturel est un processus de production d'hydrogène légèrement compliqué mais très efficace. Dans le processus de régénération du catalyseur, chaque étape, en conjonction avec le prétraitement et les étapes de post-reformage et de purification, est essentielle pour obtenir des rendements élevés, protéger les équipements et garantir la pureté du produit. Les réactions préventives telles que les réactions de WGS et de méthanation contribuent à améliorer l'efficacité et à minimiser les contaminants. Parmi les technologies critiques, les tamis moléculaires restent l'agent de séchage le plus populaire, en particulier dans les applications à haute température, à faible taux d'humidité et d'adsorption de précision. Cela est dû en particulier à un certain nombre d'avantages par rapport à d'autres échangeurs de chaleur, notamment une stabilité de performance supérieure et des niveaux d'humidité très bas, qui sont tous essentiels pour garantir le processus de reformage. Avec les progrès réalisés dans le domaine du reformage autothermique et de la capture du carbone, cette technologie reste pertinente et continue à se développer avec l'aide de nouveaux développements dans le domaine du reformage autothermique et de la capture du carbone.

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Pourquoi cette voie est-elle envisagée ?

La technique la plus populaire et la plus efficace pour la production d'hydrogène est le reformage du gaz naturel en raison de son efficacité, de sa flexibilité et de son intégration dans les installations existantes. Comparé à d'autres méthodes telles que la séparation thermochimique de l'eau ou l'électrolyse, il est beaucoup moins cher et convient donc aux utilisations de l'hydrogène à court et à moyen terme.

Aujourd'hui, la majeure partie de l'hydrogène est produite par reformage du gaz naturel, car celui-ci est bon marché et facilement disponible, en particulier aux États-Unis. Les nouveaux développements en matière de captage et de stockage du carbone (CSC) ont amélioré le processus en réduisant ses effets sur l'environnement. Le reformage du gaz naturel peut produire de l'hydrogène à faible teneur en carbone, également appelé "hydrogène bleu", en piégeant les émissions de CO₂, soutenant ainsi les efforts de décarbonisation à l'échelle mondiale.

Cette méthode est également très flexible et peut être utilisée aussi bien pour des applications à moyenne échelle que pour la production d'hydrogène à grande échelle. Sa polyvalence lui permet de répondre aux besoins de diverses industries telles que les transports (piles à combustible et véhicules électriques) et les processus industriels, notamment la synthèse de l'ammoniac et du méthanol. Bien que les sources renouvelables telles que l'énergie solaire et l'énergie éolienne se développent rapidement, elles ne sont pas suffisamment stables pour remplacer complètement l'hydrogène produit à partir de combustibles fossiles. Par conséquent, le reformage du gaz naturel joue un rôle important en tant que carburant de transition, ce qui constitue une étape vers une énergie plus propre et plus durable.

Quels sont les impacts environnementaux et les défis du reformage du gaz naturel ?

Cependant, le reformage du gaz naturel n'est pas sans poser de problèmes, principalement d'ordre environnemental. Le processus produit également une quantité importante d'émissions de CO₂, qui proviennent principalement de l'utilisation du méthane, un combustible fossile. Ces émissions, si elles ne sont pas capturées et stockées, contribuent directement au changement climatique, ce qui va à l'encontre de la fonction de l'hydrogène en tant que vecteur d'énergie propre.

Le processus est également très énergivore, car il nécessite beaucoup de chaleur pour alimenter le reformage du méthane à la vapeur (SMR) à des températures élevées. Cette énergie est souvent produite en brûlant davantage de combustibles fossiles, ce qui signifie que le processus de production d'hydrogène - un combustible respectueux de l'environnement - est basé sur des processus à forte intensité de carbone.

Cependant, de petites quantités de monoxyde de carbone (CO) sont produites pendant le reformage, ce qui est dangereux pour les travailleurs et nécessite des mesures environnementales strictes. L'application du processus à petite échelle ajoute des inefficacités et des problèmes économiques supplémentaires, car la technologie est plus efficace à grande échelle.

Pour surmonter ces problèmes, des améliorations des réacteurs SMR et des réacteurs à déplacement de gaz dans l'eau sont en cours d'élaboration. Les possibilités d'améliorer l'efficacité des systèmes de récupération de la chaleur et les conditions de la réaction pourraient être les facteurs clés. En outre, il est essentiel d'accroître l'utilisation des technologies CSC pour capturer les émissions de CO₂ nécessaires à la production d'"hydrogène bleu". Ces technologies sont importantes car elles contribuent à réduire le coût environnemental relatif du reformage du gaz naturel.

Quel est l'avenir du reformage du gaz naturel ?

L'avenir du reformage du gaz naturel dépend du développement technologique et des tendances à la décarbonisation dans le monde. La consommation d'hydrogène augmentant sur des marchés stratégiques tels que les véhicules électriques et les énergies renouvelables, le reformage du gaz naturel restera la principale méthode de production dans un avenir proche. Toutefois, sa viabilité à long terme est encore sujette à caution, car elle dépend de l'exploitation des technologies de captage du carbone et de l'évolution vers des technologies plus propres.

L'hydrogène renouvelable, qui est généré par l'électrolyse de l'eau alimentée par l'énergie solaire ou éolienne, devrait modifier considérablement la structure actuelle de la production et de la commercialisation de l'hydrogène. En effet, le coût des technologies renouvelables devrait diminuer à l'avenir et, par conséquent, l'utilisation du reformage du gaz naturel pourrait diminuer. Il est également possible de trouver une symbiose entre les sources d'énergie renouvelables et les systèmes de reformage en tant que solution intermédiaire potentielle pour la production de masse d'hydrogène.

Les mesures visant à rendre les processus plus efficaces, à réduire les émissions de carbone et à poursuivre la récupération de la chaleur continueront d'être appréciées dans le secteur industriel. En outre, les incitations gouvernementales et le développement de l'infrastructure de l'hydrogène détermineront les perspectives futures de cette technologie, en particulier aux États-Unis et dans différents pays d'Europe.

Si les questions environnementales restent d'actualité, le reformage du gaz naturel continuera à faire partie du processus de production d'hydrogène, en tant que pont entre l'infrastructure actuelle des combustibles fossiles et l'économie future de l'hydrogène.