Hydrogène vs carburants synthétiques

Je soumets à votre sagacité une question qui me taraude depuis quelques temps : on fait toute une histoire de l’hydrogène, qui va bien sûr sauver le monde, mais on parle très peu des carburants synthétiques (quelques projets mais en tout cas beaucoup moins de pub).
Pour rappel, ça consiste à capter du carbone (atmosphère, eau ou sortie d’industrie), et le mélanger avec du H2 avec de l’électricité, et on peut en ressortir une belle chaîne carbonée type gaz ou pétrole. J’avoue que je ne suis pas au point sur le process, je ne sais pas s’il faut impérativement du H2 pur ou si autre chose avec du H (eau?) peut suffire.
J’imagine que le rendement élec → carburant est encore plus réduit que pour l’hydrogène (combien?), mais il me semble qu’il y a 2 avantages majeurs :

  • techno d’utilisation connue et éprouvée, contrairement à l’H2
  • densité volumique plus importante que l’H2

Qu’en pensez-vous? Le rendement est vraiment trop mauvais pour que ça ait un intérêt quelconque?

Est ce que tu parles de Fischer Tropsch. Ca ne date effectivement pas d’hier et a effectivement été utilisée à l’échelle industrielle.
Mais, ça part du charbon. Ce n’est donc pas nécessairement très bien dans le contexte actuel. :slight_smile:

Bonjour Arnaud

Je me permets de te répondre car je travaille sur ce sujet !

L’idée est effectivement d’aller chercher de l’hydrogène dans l’eau et du carbone dans le CO2 et d’en faire des hydrocarbures.

Le CO2 peut être issu de :

  • l’air (mais 420 ppm, dans ce contexte-là, c’est vraiment pas grand-chose !)
  • de sorties d’usines (mais ce n’est pas hyper renouvelable)
  • de biomasse (la partie du biogaz issu de méthanisation ou de pyrogazéification qui n’est pas du biométhane ; ou le CO2 issu de la production de bioéthanol)
  • l’eau éventuellement (mais même problème que l’air)

Les produits que l’on peut en extraire sont de plusieurs types :

  • méthane synthétique (via méthanation)
  • pétrole synthétique (via Fischer-Tropsch, comme les Allemands pendant la guerre, mais cette fois sans charbon !) et ses dérivés après raffinage : essence, kérosène, diesel en tête
  • ammoniac synthétique (via Haber-Bosch)
  • méthanol synthétique et ses dérivés : DME, acide formique, etc.

Ces procédés sont effectivement matures (sauf méthanation), mais ils requièrent une étape préalable pour produire un « syngas » intermédiaire, via électrolyse et/ou reverse water gas shift (rWGS) qui sont, elles, beaucoup moins matures :

  • soit on électrolyse d’abord l’eau pour faire de l’hydrogène et on récupère du CO2, puis on associe les deux pour faire le syngas via rWGS → plus mature (relativement) donc moins cher mais moins efficace énergétiquement
  • soit on électrolyse l’eau et le CO2 ensemble pour produire le syngas directement → moins mature (relativement) donc plus cher mais plus efficace énergétiquement

C’est ensuite ce syngas (CO+H2) que l’on met dans notre réacteur Fischer-Tropsch, ou Haber-Bosch, etc.

Gros avantages de ces carburants :

  • on réutilise les infrastructures existantes : ce sont les mêmes avions et bateaux qui circulent dans les mêmes aéroports et ports avec des carburants raffinés dans les mêmes raffineries et transportés avec les mêmes oléoducs et camions. Gros avantage par rapport à l’hydrogène donc !
  • circularité du CO2 (CCU) : on réutilise le CO2 une deuxième fois avant de le rejeter (si CO2 industriel). Voire on va le chercher dans le cycle du carbone pour le remettre dans le cycle du carbone, en en ayant eu une utilisation entre-temps (si CO2 dans l’air, eau, biomasse).

Gros inconvénient : très chers ! Mais puisqu’on ne doit pas toujours raisonner en euros : très énergivores, très intensifs en usage des terres si élec renouvelable, idem en matériaux, etc. Car la quantité d’électricité consommée pour produire ces carburants est massive.

En bref, ils constituent une véritable alternative bas carbone et sont utilisables immédiatement (« drop-in fuels ») mais leurs limites sont trop fortes pour être une alternative complète aux carburants fossiles. Ils devraient être réservés aux usages qui n’ont pas d’autre alternative (dans l’aviation et le transport maritime en particulier, et dans leurs usages non énergétiques). Typiquement, en mettre dans les voitures serait absurde.

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  1. H2 n’est pas utilisable pour soutenir une société industrielle complexe (sauf si il est combiné à une source primaire avec un TRE élevé #nucléairecacaberk)
  2. corolaire : tout autre dérivé de h2 ne le sera pas non plus car perte supplémentaire
  3. ccl : limiter l’usage à ce qui ne présente pas d’alternative
  • une alternative à la voiture => c’est pas de voiture avec un aménagement du territoire correct
  • une alternative à l’acier/engrais => c’est heuuu un bon gros bordel donc ok h2
  • remarque : H2 a l’avantage de pouvoir faire tourner une pile à combustible avec un rendement pas trop mauvais (~60-70%) au contraire des moteurs thermiques classiques (50% pour les navires et <40% pour les bagnoles)

On doit essayer de ne jamais raisonner en euros, les euros c’est juste pour faciliter l’explication.
Sinon je plussois ton analyse, merci :+1: :pray:

Merci pour ces détails très intéressants.

Comment fais-tu le CO à partir du CO2 ? Mes cours de chimie ne datent pas d’hier mais j’ai en tête que la réduction du CO2 n’est tout de même pas le truc le plus simple à faire à l’échelle industrielle ? J’imagine qu’il s’agit d’electro-reduction, avec donc un coût énergétique certains.

D’une manière générale, je ne vois pas bien comment une opération consistant à refaire du pétrole à partir de CO2 puisse être rentable vis à vis du climat, hormis avec une source abondante d’énergie 0 carbone, que nous n’avons pas aujourd’hui. Si aujourd’hui nous utilisons le pétrole en l’oxydant en CO2, c’est bien parce que le bilan énergétique est très « favorable ». L’opération inverse ne peut donc pas être « favorable », et va donc nécessiter une importante quantité d’énergie, très certainement supérieur à l’énergie provenant de la combustion du pétrole.

Le jour où nous aurons une source abondante d’énergie 0 carbone, autant l’utiliser directement.

Mes raisonnements sont à la grosse maille et basées sur des vieux souvenirs. Il ne faut donc pas hésiter à m’indiquer où j’ai faux.

Sur la conversion du CO2 en CO, le principe est d’hydrogéner le CO2 pour produire du CO et du H2O (reverse water gas shift). Le process demande un apport en chaleur conséquent et les startups qui développent le sujet ont fait des paris technologiques différents pour le résoudre (partiellement) avec des boucles de recyclage et des synergies entre les modules (le Fischer-Tropsch est exothermique par exemple).

Mais globalement on peut retenir que la production de ce syngas intermédiaire, et donc du carburant final, malgré des avancées technologiques possibles, implique et impliquera toujours une très forte consommation d’énergie, supérieure à ce que les carburants délivrent ensuite.

Ca semble absurde de prime abord, mais parfois aucune autre alternative bas carbone n’existe. Sans être expert, je comprends qu’un avion ne fera jamais du long courrier sans kérosène. Donc autant que ce kérosène soit recyclé plutôt qu’extrait du sous-sol !

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Non si le recyclage nécessite plus d’énergie et dégage plus d’émissions carbones, ce qui est assurément le cas si on ne dispose pas d’énergie 0 carbone abondante.

Une alternative n’a d’intérêt que si les émissions carbones sont plus faibles. D’un point de vue chimie, je serais étonné qu’un processus consistant à réaliser l’inverse de la combustion des hydrocarbures puisse émettre moins avec le mix énergétique moyen mondial actuel. En gros, ça n’a aucun sens pour le climat de synthétiser du pétrole avec du CO2 en utilisant l’électricité provenant de la combustion de charbon dans les centrales électriques. Le bilan énergétique, et donc en émissions carbones, doivent juste être catastrophique.
Ce serait intéressant de connaitre le niveau d’émission carbone de l’énergie pour que le processus global soit moins carboné que la combustion directe du kérosène ?

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Ok. Mais si mes souvenirs sont bons, Fischer-Tropsch se fait sur du CO, pas du CO2.
Quand est il de la réduction du CO2 en CO ? Autant c’est facile de faire du CO avec du charbon (il suffit de « mal » l’oxyder bruler), autant la réduction du CO2 en CO est plus compliqué (du moins c’est mes souvenirs).

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However, this reaction is mildly endothermic and competed by a strongly exothermic CO2 methanation reaction at low temperatures.

However, the RWGS reaction is competed by Sabatier reaction or CO2 methanation [Eq. (2)] and methanol formation, resulting in a decreased CO yield [[11] Under atmospheric pressure, the yield of methanol is rather low or absent [16] and thus can be ignored. However, the strongly exothermic methanation reaction is thermodynamically more favored over the mildly endothermic RWGS reaction at low reaction temperatures; as such, minimizing the methanation during RWGS becomes a great challenge.

La conclusion de l’article n’est tout de même pas miraculeuse :

The catalytic conversion of CO2 to CO via the RWGS reaction followed by well-established synthesis gas conversion technologies may provide a potential approach to convert CO2 to valuable chemicals and fuels. The improvement in the low-temperature activity and selectivity of the RWGS reaction is a key challenge for this reaction. We reviewed recent advances in the strategies of catalyst designs that can enhance the activity and selectivity of the RWGS reaction. These strategies include varying support, tuning metal–support interactions, adding reducible transition metal oxide promoters, forming bimetallic alloys, adding alkali metals, and enveloping metal particles. The analysis of these advances suggests that enhancing CO2 adsorption and facilitating CO desorption appear to be the key factors for enhancing CO2 conversion and CO selectivity.

Although significant efforts have been made, studies have shown that the RWGS reaction is accompanied with a methanation side reaction on various catalysts. As a result, a mixture of CO and CH4 products forms, thereby burdening subsequent separation processes. Thus, RWGS catalysts with 100% CO selectivity should be designed. In the future, combining different metals with supports/promoters and tailoring the fine structure of supported metal catalysts should be considered the important directions for designing highly selective catalysts of the RWGS reaction.

Future work may focus on the reaction mechanism of catalysts in a RWGS reaction. The reaction mechanism and even active sites have been strongly debated, and these aspects are essential for the rational design of highly efficient and selective RWGS catalysts. With the development of in situ and operando spectroscopy technologies, such as in situ XPS and in situ XRD, as well as the capability of DFT calculations, the reaction mechanism on various catalysts operating under various reaction conditions may be clarified in the future. With better understanding on the reaction mechanism and structure–activity/selectivity relationship, more efficient catalysts may be designed in the future.

Future work may also focus on the stability of catalysts in a RWGS reaction. The stability of catalysts in this reaction has been rarely explored. Several stability tests have been performed under conditions near the thermodynamic equilibrium of CO2 conversion, which may mask the unstable nature of catalysts. The stability of catalysts is an important issue for a commercial process, so this parameter should be extensively investigated. Understanding the deactivation mechanism may also provide useful information for the rational design of stable catalysts in the RWGS reaction.

Il faudrait une biblio sérieuse sur le sujet. Mais passer d’une molécule très stable comme le CO2 vers une molécule comme le CO ne peut pas être simple.

L’électricité doit bien sûr être bas carbone. Il n’est pas question d’utiliser le réseau pour produire des carburants synthétiques, encore moins de raccorder une unité de production de carburant synthétique à une centrale à charbon !

Le FT se fait effectivement avec du CO, d’où la conversion amont du CO2 en CO. Il y a des boucles du recyclage : le CO2 qui n’a pas été converti peut être réinjecté à l’entrée ; la vapeur d’eau produite par le FT peut nourrir de l’électrolyse haute température ; elle peut même servir au process de captation de CO2 ; l’oxygène co-produit peut aussi servir selon les technos. Etc. Mais tu as raison que ça n’existe pas encore à grande échelle (TRL de 7 pour RWGS). Les projets de 20-30 MW sont proches de la construction, 200 MW en développement.

Si tu veux creuser le sujet, tu peux aller voir ce que font les fournisseurs des techno en question. Parmi eux : Greyrock, Sunfire, Ineratec et sans doute d’autres.

Je te remercie pour ces informations.

D’un point de vue macro, et en repartant de la physique & chimie. Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme, Lavoisier. :slight_smile:
Si une réaction, un processus, transformant la molécule A (kérosène) en une molécule B (CO2) produit une énergie +E (a vers b), le processus inverse nécessitera obligatoirement à minima la même quantité d’énergie -E (b vers a). Dans la pratique et compte tenu des rendements, pertes …, il faut souvent/toujours une énergie -E (b vers a) significativement plus importante que +E (a vers b). Il n’y a ni réaction chimique magique ni énergie magique. :slight_smile:

Pour moi, ça n’a donc guère de sens, vis à vis du climat, de vouloir refaire du kérosène à partir du CO2. Ca nécessitera beaucoup plus d’énergie et aura quasi assurément plus émissions carbone que d’utiliser directement du kérosène.

FT est intéressant dans un contexte militaire où on s’en fout des émissions carbones.

Notre problème est avant tout de disposer d’une énergie 0 carbone abondante. Si nous disposions de cela, nous pourrions tout envisager, y compris de synthétiser du kérosène avec du CO2. Mais tant que nous ne disposons pas de cette énergie 0 carbone abondante, ça ne me semble pas très utile de rêver à des réactions magiques. :slight_smile:

D’un point de vue économique non plus dans la pratique.
Le TRE l’en empêche.

  1. Le TRE = la quantité maximale de biens et de services aux citoyens
  2. la politique = la quantité obtenue ou visée = rendement du maximum du TRE
  3. la monnaie/l’économie = comment on partage la quantité obtenue au 2

Tout à fait, voir ici :

Exact voir le # ci dessous

Dane l’état actuel des technologies évidemment.

voilà, voilà
Hésite pas si t’as des questions

Le carbone doublement oxydé est une horreur de stabilité… Pour des carburants alternatifs efficaces, c’est à dire qui transportent plus d’énergie que ce qu’ils n’en coutent à produire c’est plutôt les liaisons carbone hydrogène qui sont privilégiées : CH4, NH3… Ils ont d’ailleurs le bon goût de pouvoir être produits relativement naturellement.

Fisher Tropsh, les seuls à pratiquer ça à grande échelle ce sont les Sud Africains de SASOL, marginalement SINOPEC et Reliance pour sécuriser quelques pour mille de production de carburants liquides.
Quand à Haber Bosch, c’est une horreur à exploiter, 4 énormes machines tournantes, des catalyseurs souvent capricieux… C’est bien parcequ’il faut des engrais azotés en masse et qu’on a pas trouvé mieux pour produire le NH3 que ce process existe encore.

Comme le dit très bien Norway:

Ce à quoi j’aurais tendance à ajouter : si le procédé que vous avez en tête n’est pas réparable avec au pire du scotch au mieux un point de soudure, oubliez.

Merci Romain pour ces infos, super intéressant. Si ce n’est pas indiscret, dans quel cadre travailles-tu sur ces sujets?
Je comprends que le rendement énergétique de l’opération est mauvais (je m’y attendais). Si on considère le cas de l’hydrogène, si on souhaite produire en 1h 2MWh d’hydrogène (soit 59kg d’H2 par heure), il faut en gros :

  • un électrolyseur capable d’absorber 4MW d’élec
  • 4MW d’élec (en continu, pas en mode éolien ou solaire).
    Ces 2MWh permettent via PAC d’alimenter des moteurs élec de l’ordre de 1MW (rendement PAC 50%), dont le rendement mécanique est lui-même de 80% : sur les 4MW de départ il reste 0,8MW mécaniques, soit 20%.
    Quels seraient les chiffres équivalents pour le syngas?

Dis Arnaud, je suis pas un grand fan de l’hydrogène mais tes rendements de production/consommation me semblent un peu bas.

Perso pour critiquer une technologie, je trouve qu’il est plus constructif d’aller dans les rendements optimistes => « Même en étant optimiste, on n’arrive qu’à un rendement global de X% »

Ou alors mettre des intervalles :slight_smile:

Estimation electrolyseur compression transport / stockage PAC moteur e- rendement global
haute 80% 95% 95% 70% 90% 45%
basse 60% 80% 90% 50% 80% 17%
electrolyseur syngas comp/transport/stockage moteur rendement global
haute 80% 85% 95% 40% 26%
basse 60% 70% 80% 25% 8%

Après on peut discuter de la production de froid et de chaleur dans le véhicule aussi mais ca complexifie le machin.

Je ne mets pas les rendements de 99% pour l’électrolyseur qui « trichent » un peu avec une cogénération cachée mais bon, toujours intéressant de le savoir :+1:

Merci pour ces informations.
Je ne suis pas allé sur le terrain des trucs compliqués comme le TRE. J’en suis resté à la chimie de base. Réduire le CO2 pour en faire du CO, puis des hydrocarbures ne peut pas être une bonne idée car cela nécessite beaucoup plus d’énergie que le processus inverse qu’est l’oxydation/combustion des hydrocarbures.
Pour faire « mieux » que la combustion des hydrocarbures, il faut nécessairement passer par un autre processus que la réaction inverse.

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Je ne comprends pas tes propos sur le CO2.
Produire un carburant synthétique n’émet pas de CO2 directement. Fischer-Tropsch n’émet pas de CO2 directement. C’est la production d’un syngas en amont qui l’est potentiellement beaucoup. Via gazéification du charbon, le syngas est une aberration climatique. Via reverse water gas shift, le syngas aura l’empreinte carbone de l’électricité qui aura été utilisée. Si elle est bas carbone, le syngas, puis le carburant, seront aussi bas carbone. A aucun moment il n’y a d’émission directe. Il n’y a que des émissions indirectes liées à ton élec, aux infra, la logistique, etc. C’est tout bêtement de l’électrolyse. Un hydrogène vert n’est pas plus carboné qu’un gris parce que moins efficace énergétiquement parlant, si ?

Encore une fois, sur le sujet énergie, c’est très inefficace et ça ne peut s’accompagner, vu les contraintes, que d’une décroissance significative des usages. On ne peut pas simplement remplacer la consommation actuelle de fossile par du synthétique.

Mais il s’agit d’une alternative proposée là où il n’y en a pas d’autres (sauf biocarburants…). Dans un monde où on décide de garder quelques avions dans les airs sur des longues distances, quand bien même les usages auraient considérablement réduit, comment faire voler ces avions sans kérosène ?

Le raisonnement s’applique sur certains segments du transport maritime également, même si la bataille est ouverte entre les différents types de carburants synthétiques.

Avec plaisir ! Ce n’est pas indiscret :slight_smile: Je développe un projet de carburant synthétique chez ENGIE.

Je sors 20% en première approximation et tu mets une fourchette entre 17 et 45, franchement t’es dur :wink:. Je préfère prendre des fourchettes basses parce que je considère que c’est ce qu’on sait faire sans débat… mais question de point de vue.
Pour le syngas, ton rendement syngas entre 70 et 85% c’est quoi? Je comprends qu’on électrolyse de l’eau pour avoir du H2 mais après on fait quoi? Tu prends le carbone où? Il faut le « mélanger » au H2 pour faire des chaines carbonées, c’est aussi dans cette partie du rendement?

Je comprends de ton tableau comparatif que le rendement syngas vs H2 est « seulement » 2 fois plus faible, en partant d’élec et d’électrolyseur? Si c’est le cas je suis surpris qu’on s’embête à développer toute une économie de l’H2 alors qu’on pourrait faire tourner les moteurs actuels et garder toute l’infra avec du synthétique…

:sweat_smile:
Ca explique la suite

oui je comprends, rien à redire

Alors, de mémoire, c’est la conversion H2 vers CH4 et NH3 mais je compte un peu sur @RomainC
#1 pour me corriger (« alors on a été un vilain rendement ? ») ou donner plus d’infos.
Je ne me souviens plus pour le reste (j’ai que 2 bras, je suis pas Shiva), sorry

Alors c’est là que ça devient intéressant d’avoir le tableau.

  1. tu développes H2 pour faire du CH4 ou CxHy ce qui te permet de continuer à amortir les investissements déjà faits (voitures thermiques, gazoducs, autres,…) et tu limites les investissements ultérieurs.
  2. tu développes l’autre filière en attendant que celui-ci soit plus compétitive et mature. Ceci a l’avantage aussi de pouvoir changer en cours de route si une techno plus intéressante émergeait (SMR, PV-IR, autres)
  3. tu transites d’une filière à l’autre en cherchant l’optimum financier en considérant la dévalorisation de tes actifs

C’est évidemment un raisonnement hors sol et hors physique mais qui, dans la limite des hypothèses posées, tient la route

#1
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Mais ça, c’est si tu est politique ou financier.
Dans la vraie vie, CH4 il se génère sans passer par H2 avec un rendement énergétique infiniment meilleur, de 2 à 6% de la capacité électrique produite étant nécessaire pour le fonctionnement propre du système (source : étude AILE sur 33 sites de production). Mais comme cette production est interdépendante d’autres fonctions de la société on ne peut pas calculer son TRE (j’ai retenu la leçon).

Dans la vraie vie également, voilà l’état de la R&D quand au fait d’utiliser du matériel avec des teneurs d’H2 importantes :

Le pb de ce gaz, ce n’est pas le fait qu’on puisse inventer des super procédés avec, c’est la réalité de son comportement qui pose énormément de soucis pratiques.