(1) Concept et définition de la production d'hydrogène à partir de biomasse
La production d'hydrogène à partir de la biomasse fait principalement référence à l'utilisation de la gazéification ou de la désoxygénation catalytique microbienne pour produire du gaz de synthèse contenant de l'hydrogène après que la biomasse ait subi différents prétraitements. Les ressources annuelles de biomasse disponibles en Chine sont d'environ 3,5 milliards de tonnes, dont les principales sources sont les cultures énergétiques, les résidus de déchets agricoles, les résidus de déchets forestiers et les déchets solides industriels et urbains. L'utilisation de matières premières de biomasse pour produire de l'hydrogène est une méthode qui s'adapte aux conditions nationales de la Chine et présente une bonne voie technologique de production d'hydrogène avec des perspectives de développement prometteuses. Étant donné que la matière première dans certains scénarios est de la biomasse contenant du carbone, cette voie est également considérée comme une voie de production d'hydrogène « à émission de carbone négative », et l'hydrogène produit par cette voie est également appelé « hydrogène émeraude » ou « hydrogène super vert ».
(2) Voie technique pour la production d'hydrogène à partir de la biomasse
Français La technologie de production d'hydrogène de biomasse peut être principalement divisée en deux voies principales : la production d'hydrogène thermochimique et la production d'hydrogène biologique. La production d'hydrogène thermochimique peut être divisée en trois voies techniques subdivisées : la vaporisation à la vapeur, la vaporisation à l'eau supercritique et le craquage et le reformage thermiques de la biomasse ; la production d'hydrogène biologique est également appelée méthode de dégradation microbienne et production d'hydrogène par fermentation de la biomasse, y compris la photolyse directe/indirecte. Il existe différentes voies subdivisées telles que la photolyse, la fermentation légère, la fermentation sombre, la fermentation couplée lumière-obscurité, la biotransformation enzymatique acellulaire, etc.
Parcours technologique 1 : Méthode thermochimique
Il s'agit d'une méthode de conversion de la biomasse en gaz combustible riche en hydrogène par traitement thermochimique, puis d'obtention d'hydrogène pur par séparation. Cette méthode permet de produire de l'hydrogène directement à partir de matières premières de biomasse ou à partir de produits intermédiaires de dépolymérisation de la biomasse (tels que le méthanol, l'éthanol). Selon différents procédés spécifiques, elle peut être divisée en technologie de gazéification à la vapeur, technologie de gazéification à l'eau supercritique et technologie de reformage par pyrolyse de la biomasse :
Technologie de gazéification à la vapeur: La technologie de production d'hydrogène par gazéification à la vapeur utilise la vapeur comme agent de gazéification. Le traitement de gazéification des matières premières de la biomasse a pour but d'éliminer les composants non inflammables tels que l'azote et l'eau pour augmenter la valeur calorifique du carburant. En même temps, l'élimination du soufre et de l'azote peut empêcher leurs produits de pénétrer dans l'atmosphère et réduire le rapport massique des éléments hydrocarbonés ; cette méthode peut généralement obtenir le volume. L'inconvénient de l'utilisation de 40 à 60 % d'hydrogène et de gaz de synthèse à haut pouvoir calorifique est que du goudron est produit comme sous-produit. Par conséquent, l'exploration de catalyseurs rentables pour augmenter la production d'hydrogène, réduire la température de gazéification, favoriser le craquage du goudron et développer une technologie de traitement du goudron vert, reformer le goudron en gaz de synthèse précieux et des systèmes de séparation de l'hydrogène sont actuellement les applications ultérieures de cette technologie.
Technologie de reformage par craquage thermique :Le principe de cette technologie consiste à chauffer indirectement la biomasse à 350 à 600 degrés et à isoler l'air et l'oxygène (ou l'oxygène limité), afin de pouvoir la pyrolyser et la convertir en biotar, coke et gaz. Les hydrocarbures sont ensuite craqués catalytiquement pour obtenir un gaz riche en hydrogène et le gaz est séparé pour obtenir de l'hydrogène. Sous réserve de l'utilisation d'un catalyseur, la fraction volumique d'hydrogène dans le gaz de pyrolyse peut atteindre 30 à 50 %. Cependant, le goudron produit pendant le processus de pyrolyse corrode les équipements et les canalisations, entraînant une diminution de l'efficacité de la production d'hydrogène. Les prochaines étapes clés à l'heure actuelle sont le développement de nouveaux catalyseurs économiques, la recherche et le développement de procédés d'élimination du goudron à faible coût, de procédés de séparation de l'hydrogène, etc.
Vaporisation d'eau supercritique: se réfère à la décomposition de la biomasse dans l'eau supercritique pour produire H2, CO, CO2, CH4 et d'autres gaz par pyrolyse, hydrolyse, condensation et déshydrogénation. La technologie de production d'hydrogène par vaporisation d'eau supercritique de biomasse a une consommation d'énergie relativement élevée. Grande, production de sous-produits de goudron et autres problèmes. Bien que le prix des matières premières de cette technologie soit faible, le coût d'exploitation et l'investissement initial du système d'eau supercritique sont élevés, et il n'existe pas de projets de démonstration à grande échelle, de sorte qu'il ne peut pas être promu pour une utilisation commerciale à court terme.
Parcours technologique 2 : Méthode biologique
Les méthodes biologiques peuvent être subdivisées en photolyse directe, photolyse indirecte, fermentation lumineuse, fermentation sombre, fermentation couplée lumière-obscurité, conversion enzymatique acellulaire et autres voies subdivisées ; différentes voies techniques ont leurs propres avantages et inconvénients, parmi lesquels la fermentation couplée lumière-obscurité peut non seulement réduire dans une certaine mesure la demande en énergie lumineuse, mais aussi augmenter considérablement la production d'hydrogène. C'est la principale direction de développement de la production d'hydrogène biologique à l'heure actuelle.
(3) Progrès de la production d’hydrogène à partir de biomasse dans le pays et à l’étranger
Représentant des Affaires étrangères - Royaume-Uni :
Début 2023, le ministère britannique des Affaires, de l'Énergie et de la Stratégie industrielle (BEIS) a annoncé qu'il investirait 30 millions de livres sterling pour soutenir l'innovation dans la technologie de production d'hydrogène à partir de la biomasse. Orientations de financement spécifiques :
Prétraitement des matières premières : développer une technologie de prétraitement des matières premières à faible coût, économe en énergie et efficace pour optimiser la biomasse et les matières premières issues des déchets. Y compris la technologie de granulation, la technologie de tri mécanique, la technologie de traitement thermique et de calcination, etc.
Recherche et développement de technologies de gazéification avancées et de leurs composants : se concentrer sur l'amélioration de la qualité du gaz de synthèse et l'amélioration de l'efficacité de la production d'hydrogène. Y compris la technologie de surveillance en temps réel, la technologie d'élimination physique, la technologie d'élimination chimique, la technologie d'élimination catalytique et thermique du goudron, la technologie d'adsorption modulée en pression du gaz de synthèse, la technologie d'intégration du gazéificateur, etc.
Nouvelle technologie de production d'hydrogène à partir de la biomasse : se concentrer sur le développement de nouvelles technologies de production d'hydrogène à partir de la biomasse qui peuvent être combinées avec la capture du carbone. Y compris la technologie de production d'hydrogène par fermentation anaérobie, la technologie de production d'hydrogène par photofermentation, la technologie de traitement des eaux usées, la technologie de production d'hydrogène par reformage du méthane, la technologie de pyrolyse, etc.
Chine:
Production d'hydrogène biologique - elle était auparavant au stade de laboratoire ; début 2023, le premier projet intégré de production d'hydrogène biologique et de production d'électricité du pays a été lancé à Harbin (en utilisant la technologie de production d'hydrogène par fermentation de déchets de biomasse, en utilisant des déchets agricoles de paille, des déchets d'aménagement paysager, des déchets alimentaires, des eaux usées organiques hautement concentrées, etc. sont utilisés comme substrats de fermentation, et des souches efficaces de production d'hydrogène anaérobie sont utilisées comme producteurs d'hydrogène pour traiter les déchets tout en récupérant une grande quantité d'hydrogène énergétique propre. La technologie provient de l'équipe de l'académicien Ren Nanqi de l'Institut de technologie de Harbin).
Production thermochimique d'hydrogène - principalement utilisée pour la biomasse ou les déchets à faible teneur en eau, tels que les déchets municipaux et les déchets solides industriels contenant davantage de carton, de plastique et d'autres substances. Des entreprises nationales telles que Dongfang Boiler, Datang Group et d'autres entreprises énergétiques traditionnelles déploient la gazéification par pyrolyse pour produire de l'hydrogène. Cependant, en raison de la complexité du processus de traitement du gaz, il n'existe actuellement aucun projet d'exploitation commerciale mature en Chine dans ce domaine. Jiman Technology, qui est née de l'Académie chinoise des sciences, promeut actuellement la construction de projets de démonstration à petite échelle et à l'échelle pilote.
(4) Principaux points de vue et conclusions sur la production d’hydrogène à partir de la biomasse :
La production d'hydrogène à partir de la biomasse peut être utilisée efficacement pour utiliser les déchets industriels, agricoles et urbains, mais le lieu de construction est limité par la zone d'approvisionnement en matières premières et constitue une voie de production d'hydrogène décentralisée. Son produit direct est un gaz de synthèse contenant de l'hydrogène, qui contiendra des impuretés telles que le CO, le H2S et le goudron. Le gaz doit être séparé davantage pour obtenir de l'hydrogène avant de pouvoir être utilisé, ce qui est plus approprié comme carburant ou comme matière première industrielle.
Méthode thermochimique : Le taux de conversion est rapide, mais il nécessite des équipements, des catalyseurs, etc. de grande qualité, et la séparation des gaz est difficile ; nous pouvons nous concentrer sur des orientations révolutionnaires clés telles que les nouveaux catalyseurs, le reformage et l'utilisation du goudron, ainsi que les processus et équipements de séparation des gaz.
Méthode biologique : rendement élevé, faible coût, mais nombreuses impuretés ; parmi elles, la production d'hydrogène par fermentation couplée lumière-obscurité présente l'efficacité de production d'hydrogène la plus rapide et le taux d'utilisation du substrat le plus élevé, et devrait devenir la technologie d'application principale de la production d'hydrogène biologique à l'avenir.
En résumé, la production d'hydrogène à partir de biomasse en est généralement encore à ses débuts, et certaines démonstrations commerciales sont encore concentrées à petite échelle et à l'étape pilote. Ses scénarios d'application sont principalement en tant que matières premières pour carburants industriels. Ce domaine peut se concentrer sur : la production d'hydrogène par fermentation biologique. Les liens clés comprennent la culture, la transformation et la préparation de bactéries productrices d'hydrogène à haute performance, la méthode de production d'hydrogène par fermentation couplée lumière-obscurité, le prétraitement des matières premières de production d'hydrogène biologique et l'équipement de processus de séparation de l'hydrogène.
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