Guide · Hydrogène
Qu’est-ce que la pyrolyse du méthane ?
La pyrolyse du méthane décompose le méthane en hydrogène et en carbone solide grâce à la chaleur, sans combustion. Voici la chimie, la comparaison avec le vaporeformage et l’électrolyse, et le rôle du plasma.
La réponse courte
La pyrolyse du méthane décompose le méthane en hydrogène gazeux et en carbone solide, sans oxygène.
- Le méthane est chauffé sans air ni eau jusqu’à ce que sa molécule se rompe : CH₄ → C + 2 H₂.
- Le carbone sort sous forme de poudre solide et non de CO₂ : l’hydrogène est produit sans émission directe de CO₂. On parle d’hydrogène turquoise.
- Décomposer le méthane demande bien moins d’énergie par kilogramme d’hydrogène que décomposer l’eau.
- Le carbone solide, par exemple du noir de carbone, est un second produit commercialisable.
La réaction
Une molécule de méthane, deux d’hydrogène, un atome de carbone.
Le méthane (CH₄), principal composant du gaz naturel et du biogaz, est une molécule très stable. Sans catalyseur, il ne se décompose rapidement qu’au-delà d’environ 1 000 °C. Chauffé en l’absence d’oxygène, il se scinde en hydrogène gazeux et en carbone solide ; rien n’est brûlé, donc aucun CO₂ ne se forme.
En masse, 4 kg de méthane donnent 1 kg d’hydrogène et 3 kg de carbone. La réaction absorbe environ 75 kJ par mole de méthane, soit environ 5 kWh par kilogramme d’hydrogène en théorie. Décomposer l’eau par électrolyse demande environ 39 kWh par kilogramme en théorie, et davantage en pratique.
CH₄ → C + 2 H₂
3 kg
De carbone par kg de H₂
4 kg de méthane → 1 kg d’hydrogène + 3 kg de carbone
≈ 5 kWh
Par kg de H₂, en théorie
contre ≈ 39 kWh pour décomposer l’eau
0 kg
CO₂ direct
le carbone sort sous forme solide
1 000 °C+
Sans catalyseur
un arc plasma dépasse 3 000 °C
Comparaison
Trois façons de produire de l’hydrogène à partir de méthane ou d’eau.
L’essentiel de l’hydrogène actuel vient du vaporeformage, qui rejette le carbone du méthane sous forme de CO₂. La pyrolyse garde ce carbone sous forme solide.
| Vaporeformage du méthane (SMR) | Électrolyse de l’eau | Pyrolyse du méthane | |
|---|---|---|---|
| Matières premières | Gaz naturel et vapeur d’eau | Eau et électricité | Gaz naturel, biogaz ou gaz de torchère, et chaleur (électricité dans un procédé plasma) |
| Réaction globale | CH₄ + 2 H₂O → CO₂ + 4 H₂ | 2 H₂O → 2 H₂ + O₂ | CH₄ → C + 2 H₂ |
| Coproduit | CO₂ | Oxygène | Carbone solide (3 kg par kg de H₂) |
| CO₂ direct | Environ 10 kg par kg de H₂, en comptant le gaz brûlé pour la chaleur | Aucun | Aucun |
| Énergie pour la réaction | Surtout en brûlant une partie du gaz | ≈ 39 kWh/kg de H₂ en théorie, davantage en pratique | ≈ 5 kWh/kg de H₂ en théorie ; HyPlasma® consomme jusqu’à 3× moins d’électricité que l’électrolyse |
| Couleur usuelle | Gris (bleu avec captage du CO₂) | Vert avec une électricité renouvelable, rose avec le nucléaire | Turquoise |
Énergies théoriques : enthalpies standard de réaction (pyrolyse du méthane +74,8 kJ/mol de CH₄ ; décomposition de l’eau 285,8 kJ/mol de H₂, pouvoir calorifique supérieur). Les installations réelles demandent davantage, pour chauffer le gaz et couvrir les pertes.
Technologies
Quatre façons d’apporter la chaleur.
Tout procédé de pyrolyse du méthane doit apporter beaucoup de chaleur au gaz, sans oxygène, et en extraire le carbone solide. Ils diffèrent par la façon de le faire.
Réacteurs thermiques
Le méthane est chauffé dans un réacteur chaud, sans catalyseur. Simple dans son principe, mais les parois doivent tenir de hautes températures et le carbone peut les encrasser.
Procédés catalytiques
Un catalyseur métallique ou carboné abaisse la température nécessaire, mais le carbone produit recouvre peu à peu le catalyseur, qu’il faut alors régénérer ou remplacer.
Métal ou sel fondu
Le méthane traverse un bain de métal fondu, comme l’étain, ou de sel. Le bain transmet la chaleur et le carbone remonte à la surface.
Plasma
Un plasma micro-ondes, à courant continu ou alternatif apporte la chaleur par l’électricité. Le plasma est très chaud, riche en radicaux libres qui accélèrent la réaction, et sa puissance se règle avec précision.
Avec une torche à plasma
Comment fait HyPlasma®.
HyPlasma® est le procédé de pyrolyse du méthane de Plenesys. Sa torche à plasma AC triphasée est placée au sommet du réacteur ; le méthane injecté rencontre le plasma, au-delà de 3 000 °C, où l’arc en mouvement brasse aussi le gaz.
Un filtre sépare ensuite le carbone solide de l’hydrogène et une vis convoyeuse évacue le carbone. Le gaz riche en hydrogène est stocké, ou d’abord purifié si l’application l’exige.
- Unité conteneurisée de 100 kW : 7 kg/h d’hydrogène et 21 kg/h de carbone solide
- Usine de 2 MW : 140 kg/h d’hydrogène et 380 kg/h de carbone solide
- Gaz naturel, biogaz ou gaz de torchère, 1–6 barg
L’autre produit
Que devient le carbone ?
Pour chaque kilogramme d’hydrogène, la pyrolyse du méthane produit environ trois kilogrammes de carbone solide. Au lieu d’un déchet à gérer, c’est un matériau qui a un marché : le noir de carbone, utilisé dans les pneus, le caoutchouc, les plastiques et les encres, est aujourd’hui surtout produit en brûlant des produits pétroliers.
Sur le démonstrateur HyPlasma®, Plenesys a produit du noir de carbone correspondant à plusieurs grades ASTM, de N1XX à N5XX, en ajustant les conditions du procédé. Vendre le carbone abaisse le coût de l’hydrogène.
Matières premières
Quel gaz peut-on utiliser ?
Gaz naturel
La matière première la plus disponible : de l’hydrogène bas carbone produit sur site, à partir du réseau de gaz auquel vous êtes déjà raccordé.
Biogaz et biométhane
Du méthane issu de déchets agricoles ou du traitement des eaux usées, transformé en hydrogène et en carbone au lieu d’être brûlé.
Gaz de torchère
Le gaz associé que les sites pétroliers et gaziers brûlent souvent à la torche : la pyrolyse en fait des produits au lieu de CO₂.
Questions
Questions fréquentes
Qu’est-ce que l’hydrogène turquoise ?
De l’hydrogène produit par pyrolyse du méthane. Le code couleur décrit le mode de production : gris par vaporeformage, bleu quand le CO₂ est capté, vert par électrolyse avec une électricité renouvelable, rose avec le nucléaire, et turquoise par pyrolyse, où le carbone finit sous forme solide.
L’hydrogène issu de la pyrolyse du méthane est-il bas carbone ?
La réaction elle-même n’émet pas de CO₂. L’empreinte globale dépend aussi de la chaîne d’approvisionnement du méthane et de la production de l’électricité ou de la chaleur ; avec du biométhane et une électricité bas carbone, elle est très faible.
Quelle quantité d’hydrogène et de carbone produit-elle ?
D’après la stœchiométrie des réactions, 4 kg de méthane donnent 1 kg d’hydrogène et 3 kg de carbone. L’unité HyPlasma® de 100 kW produit 7 kg/h d’hydrogène et 21 kg/h de carbone solide.
La pyrolyse du méthane consomme-t-elle moins d’électricité que l’électrolyse ?
Oui. En théorie, décomposer le méthane demande environ 5 kWh par kilogramme d’hydrogène, contre environ 39 kWh pour décomposer l’eau. En pratique, HyPlasma® consomme jusqu’à trois fois moins d’électricité que l’électrolyse.
Quelle température faut-il pour la pyrolyse du méthane ?
Sans catalyseur, le méthane ne se décompose rapidement qu’au-delà d’environ 1 000 °C. Les catalyseurs fonctionnent à plus basse température ; un arc plasma apporte une chaleur supérieure à 3 000 °C.
Pourquoi utiliser un plasma pour la pyrolyse du méthane ?
La chaleur vient de l’électricité, donc aucun combustible n’est brûlé ; le plasma est riche en radicaux libres qui accélèrent la réaction ; et il offre une densité de chaleur très élevée et réglable, hors de portée d’un chauffage classique.
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