La production d’hydrogène utilisant le nucléaire pour un avenir bas carbone
L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant dans l’univers, mais sa production sous forme pure pour une gamme de processus industriels est gourmande en énergie, avec une empreinte carbone importante.
Traduction d’un article de l’AIEA
« Près de 95 % de la demande actuelle d’hydrogène est satisfaite en utilisant des processus de production à forte intensité de carbone tels que le reformage du méthane à la vapeur (ou vaporeformage)[1]. Cela n’est pas viable à la lumière de la transition mondiale des énergies propres, d’autant plus que la demande est déjà assez élevée et continue de croître », a déclaré Ibrahim Khamis, ingénieur nucléaire senior à l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA). La demande d’hydrogène a plus que triplé depuis 1975, selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE). L’hydrogène est utilisé dans des processus industriels allant de la production de carburants synthétiques et de produits pétrochimiques à la fabrication de semi-conducteurs et à l’alimentation de véhicules électriques à pile à combustible. Afin de réduire l’impact environnemental de la production annuelle de plus de 70 millions de tonnes d’hydrogène, certains pays se tournent vers l’énergie nucléaire.
« Si, par exemple, seulement 4 % de la production actuelle d’hydrogène était d’origine nucléaire, cela entraînerait une réduction de 60 millions de tonnes d’émissions de dioxyde de carbone chaque année », déclare Ibrahim Khamis. « Et si tout l’hydrogène devait être produit avec l’énergie nucléaire, alors nous parlons d’éliminer plus de 500 millions de tonnes d’émissions de dioxyde de carbone par an ». Les réacteurs nucléaires peuvent être couplés à une usine de production d’hydrogène pour produire efficacement à la fois de l’énergie et de l’hydrogène en tant que système de cogénération. Pour la production d’hydrogène, le système de cogénération est équipé de composants pour l’électrolyse ou les procédés thermochimiques. L’électrolyse est le processus d’induction de la séparation des molécules d’eau à l’aide d’un courant électrique continu, produisant à la fois de l’hydrogène et de l’oxygène. L’électrolyse de l’eau fonctionne à des températures relativement basses d’environ 80°C à 120°C, tandis que l’électrolyse en phase vapeur fonctionne à des températures beaucoup plus élevées et est donc plus efficace. L’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température pourrait être réalisée avec des réacteurs nucléaires avancées à haute température (HTR/VHTR), car le processus nécessite un apport de chaleur d’environ 700°C à 950°C.
Les processus thermochimiques peuvent produire de l’hydrogène en induisant des réactions chimiques avec des composés spécifiques à des températures élevées pour diviser les molécules d’eau. Des réacteurs nucléaires avancés capables de fonctionner à des températures très élevées peuvent également être utilisés pour produire de la chaleur pour ces procédés.
« La production d’hydrogène en utilisant le cycle soufre-iode en particulier a un grand potentiel pour être augmentée pour un fonctionnement durable et à long terme », ajoute Ibrahim Khamis. « Le développement de cette méthode avec les technologies HTTR[2] (Japon) et HTR – PM[3] 600 et HTR-10 (Chine) est très prometteur, et d’autres initiatives de recherche continuent à faire d’excellents progrès ».
Plusieurs pays mettent actuellement en œuvre ou explorent la production d’hydrogène à l’aide de centrales nucléaires pour décarboner les secteurs de l’énergie, de l’industrie et des transports. C’est aussi un moyen de tirer le meilleur parti d’une centrale nucléaire, ce qui peut contribuer à accroître sa rentabilité.
L’AIEA fournit un soutien aux pays intéressés par la production d’hydrogène par le biais d’initiatives comprenant des projets de recherche coordonnés et des réunions techniques. L’agence a également développé le Programme d’évaluation économique de l’hydrogène (HEEP), un outil d’évaluation de l’économie de la production d’hydrogène à grande échelle via l’énergie nucléaire. L’AIEA a également publié un cours en ligne sur la production d’hydrogène par cogénération nucléaire début 2020. « La production d’hydrogène d’origine nucléaire a un grand potentiel pour contribuer aux efforts de décarbonation, mais il y a un certain nombre de défis qui doivent d’abord être relevés, tels que la détermination de la viabilité économique de l’intégration de la production d’hydrogène dans une stratégie énergétique plus large », poursuit l’ingénieur. « La production d’hydrogène par des procédés thermochimiques de fractionnement de l’eau nécessite des réacteurs innovants fonctionnant à des températures très élevées, et ces réacteurs restent à quelques années de déploiement. De même, le processus soufre-iode nécessite encore plus d’années de recherche et de développement pour atteindre sa maturité et atteindre le statut de mise à l’échelle commerciale ». L’octroi de licences pour les systèmes d’énergie nucléaire incorporant des applications non électriques peut également être un défi.
Etudier et tester la faisabilité
L’initiative H2@ Scale[4], lancée début 2020 par le ministère de l’Énergie des États-Unis (DOE), examine la faisabilité de développer des systèmes d’énergie nucléaire qui produisent de l’hydrogène en tandem avec une électricité à faible émission de carbone. Parmi les dizaines de projets financés dans le cadre de cette initiative, un sera mis en œuvre par trois sociétés commerciales d’électricité américaines en coopération avec le laboratoire national de l’Idaho du DOE. Le projet comprendra des évaluations techniques et économiques, ainsi que des démonstrations pilotes de production d’hydrogène dans plusieurs centrales nucléaires aux États-Unis.
L’une des sociétés de services publics impliquées dans le projet, Exelon, le plus grand producteur d’énergie à faible émission de carbone aux États-Unis, prend maintenant des mesures pour installer un électrolyseur à membrane électrolytique polymère de 1 MW et l’infrastructure associée dans l’une de ses centrales nucléaires. Le système, qui pourrait être en service d’ici 2023, sera utilisé pour démontrer la viabilité économique de l’hydrogène produit par électrolyse pour répondre aux besoins sur place des systèmes liés à la production d’électricité ainsi que les futures opportunités d’évolutivité. « Ce projet nous aidera à déterminer les perspectives de la production d’hydrogène d’origine nucléaire, y compris la façon dont les considérations financières peuvent affecter toute production d’hydrogène à long terme et à grande échelle», déclare Scot Greenlee, vice-président principal de l’ingénierie et des services techniques chez Génération Exelon. « L’introduction de la production d’hydrogène avec l’énergie nucléaire peut contribuer grandement à renforcer la durabilité de l’énergie nucléaire alors que nous prévoyons un avenir à faible émission de carbone ».
Des évaluations sont également en cours au Royaume-Uni. L’Energy Systems Catapult, une initiative à but non lucratif, modélise l’ensemble du système énergétique et inclut désormais l’option de technologies nucléaires avancées pour la production d’hydrogène. Cela donne un aperçu du mix énergétique potentiellement le moins coûteux, qui pourrait générer des émissions nettes de gaz à effet de serre nulles d’ici 2050, et le résultat indique que le nucléaire avancé pourrait jouer un rôle dans la production d’hydrogène aux côtés d’autres technologies. « Bien que le rôle exact de l’hydrogène au Royaume-Uni reste à déterminer, l’analyse effectuée par le Comité sur le changement climatique et le Département des affaires, de l’énergie et de la stratégie industrielle suggère que nous devrons peut-être déployer environ 270 térawattheures de faible émission de carbone l’hydrogène d’ici 2050, bien que cela puisse augmenter considérablement en fonction des applications dans les secteurs de la chaleur, de l’électricité et des transports pour lesquelles l’hydrogène est finalement utilisé », note de son côté Philip Rogers, conseiller stratégique et économique principal au Conseil consultatif de l’innovation et de la recherche nucléaires du Royaume-Uni.
Nouveaux programmes
En 2019, la Russie a lancé sa première initiative de production d’hydrogène d’origine nucléaire. Le programme, géré par la société nationale d’énergie atomique Rosatom, utilisera l’électrolyse nucléaire ainsi que la production thermochimique utilisant des réacteurs refroidis au gaz à haute température. L’objectif est de produire de grandes quantités d’hydrogène chaque année et de détourner la production des méthodes de production à forte intensité de carbone telles que le reformage du méthane à la vapeur.
L’hydrogène qu’il produit sera destiné à un usage domestique et à l’exportation. Une évaluation de faisabilité est en cours sur l’exportation d’une partie de l’hydrogène vers le Japon.
« Alors que la demande d’hydrogène continue de croître, stimulée en partie par l’expansion d’industries telles que la métallurgie, la production d’hydrogène grâce à l’énergie nucléaire offre une opportunité de réduire considérablement les émissions de carbone tout en augmentant la rentabilité de l’industrie de l’énergie nucléaire », signale Anton Moskvin, président du marketing et du développement des affaires chez Rusatom Overseas.
Plus que l’hydrogène
L’énergie nucléaire a une variété d’applications non électriques en plus de la production d’hydrogène. Certains d’entre eux incluent le chauffage urbain pour les maisons et les entreprises, le chauffage et la climatisation à des fins industrielles et le dessalement de l’eau de mer pour augmenter l’accès à l’eau potable.
L’adoption potentielle de ces applications est également en expansion, car de nouveaux systèmes d’énergie nucléaire sont conçus pour optimiser les utilisations combinées électriques et non électriques ainsi que l’intégration avec des énergies renouvelables. De nouvelles conceptions de réacteurs sont également en cours de développement, comme les petits réacteurs modulaires (SMR), pour offrir un fonctionnement plus flexible, permettant d’ajuster leur puissance en fonction de la demande. Cela les rend particulièrement bien adaptés à de telles applications car l’énergie normalement utilisée pour la production d’électricité peut être réacheminée vers des applications non électriques.
[1] Il consiste à faire réagir le méthane avec la vapeur d’eau en présence d’un catalyseur.
[2] Réacteur d’essai à haute température HTTR (High Temperature Engineering Test Reactor).
[3] Réacteur modulaire à haute température refroidi par gaz, utilisé en tant que réacteur de démonstration en vue de la construction d’autres tranches.
[4] Concept qui explore le potentiel de production et d’utilisation d’hydrogène à grande échelle aux États-Unis pour permettre la résilience des secteurs de la production et du transport d’électricité, tout en alignant diverses industries nationales de plusieurs milliards de dollars, la compétitivité nationale et la création d’emplois.