Produire de l Hydrogène. à partir de Biogaz

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1 Produire de l Hydrogène. à partir de Biogaz le Projet VABHyOGAZ Didier Grouset Association PHyRENEES Journée MPI Découverte H2 et PAC Albi 28 mai

2 Projet VABHyOGAZ Le projet VabHyogaz: Contexte local, objectifs, partenaires, planning global Contexte H2: Productions et utilisations, actuelles et futures Principaux résultats obtenus après 6 mois Procédés d épuration du biogaz Procédés de transformation en H2 Étude de marché H2 Positionnement des filières H2 2

3 Objectifs du projet VabHyogaz Valoriser de l hydrogène produit à partir du Biogaz d un Centre d Enfouissement Technique de Déchets Ménagers: Hydrogène conditionné sous pression pour applications industrielles Hydrogène pour véhicules à piles à combustible Objectifs intermédiaires Hiérarchiser les possibilités économiques d utilisation de l Hydrogène dans le cas général des CET et confirmer / identifier la meilleure solution dans le cas particulier du BIORÉACTEUR de TRIFYL à Graulhet, Point dur (économique) principal : les besoins d hydrogène ne sont pas localisés à proximité des points de production de biogaz Lever les points durs de la faisabilité technique Effectuer des essais de longue durée sur site d un pilote de validation Démontrer l exploitation industrielle et commerciale de cette filière de valorisation du biogaz 3

4 Le planning global du projet VabHyogaz Année 1 : Confirmer la faisabilité technico économique et choisir la taille optimale de l installation de production échelle 1 (50 à 500 Nm3/h) Années 2 et 3 : Définition détaillée de l installation et Validation et optimisation sur pilote à une échelle intermédiaire : 10 à 30 Nm3/h Année 3 Construction de l unité pour production d hydrogène industriel fin Année 4 Complément pour la distribution d hydrogène carburant courant

5 Partenaires de VabHyogaz PHyrénées : leader du projet Association pour la Promotion de l Hydrogène en Midi-Pyrénées TRIFYL Syndicat mixte départemental du Tarn pour la valorisation des déchets ménagers habitants N-GHY Petite Entreprise (13 pers.), essaimage de l EMAC Assistance technique aux industriels pour les technologies de l Hydrogène Développement d un procédé de production d hydrogène Flexifuel SOLAGRO Association Toulousaine Energie et Agriculture Spécialiste du biogaz : production, épuration, valorisation EMAC (Ecole des Mines d Albi Carmaux) Centre de Recherches RAPSODEE : Procédés de traitement des Solides Divisés, Energétique, Environnement Centre de Recherches CROMEP: matériaux pour les procédés Financements : convention ADEME ; Région et Département sollicités 5

6 Utilisations de l hydrogène Hydrogène chimie: gros volumes ( à Nm3/h) hydro-conversion et hydro dé-sulfuration des coupes pétrolières production d engrais (synthèse NH3): 630 Mm3/an = 1,5 % de la consommation d énergie mondiale Hydrogène industriel utilisé dans de nombreux secteurs : Traitement des métaux - Verre : float glass, flaconnage Electronique - Agroalimentaire Electricité - Hôpitaux, laboratoires 10 à 1000 Nm3/h (30 kw à 3 MW), quelques centaines de sites en Europe Hydrogène carburant : applications de mobilités Bus, voitures particulières, chariots élévateurs, motocyclettes, scooters, bateaux Ravitaillement en stations-service Hydrogène électricité : en pile à combustible, stationnaire PAC à Hydrogène pur : PEMFC, petites puissances: applications de secours PAC à reformeur amont: PEMFC, PAFC pour cogénération : 1 à 250 kw, PAC à reformage interne de gaz naturel : SOFC, MCFC : 1 à 2400 kw 6

7 Stations-service à hydrogène Aujourd hui Pour flottes de véhicules de démonstration : Ex : 3 FC bus, 14 ICE bus + qq voitures Une centaine dans le monde 30 à 100 Nm3/h Mode de production : Production centralisée + liquéfaction + transport H2 cryotechnique + compression + transport H2 comprimé, Électrolyse Reformage de GN sur place 7

8 Stations-service à hydrogène Aujourd hui Pour flottes de véhicules de démonstration : Ex : 3 FC bus, 14 ICE bus + qq voitures Une centaine dans le monde Capacité: 30 à 100 Nm3/h Mode de production : Production centralisée + liquéfaction + transport H2 cryogénique + compression + transport H2 comprimé, Électrolyse Reformage de GN sur place Les stations-service H2 en Europe en 2006 / 2007 (EHA) 8

9 Stations-service à hydrogène Prévisions : projet Hyways - Extension progressive du réseau Nombre: 500 à 900 stations à construire d ici 10 ans ; à en 2025 ; en 2050 (Europe) - Capacités : 100, puis 500 à 1000 Nm3/h pour, à terme, 200 à 400 voitures/jour (4 kg H2 par voiture) Production : vers le centralisé, + gazoduc ou liquéfaction, mais 5 à 10% produit sur place 9

10 Stations-service à hydrogène Prévisions : projet Hyways - Extension progressive du réseau Nombre: 500 à 900 stations à construire d ici 10 ans ; à en 2025; en 2050 (Europe) - Capacités : 100, puis 500 à 1000 Nm3/h pour, à terme, 200 à 400 voitures/jour (4 kg H2 par voiture) Production : vers le centralisé, + gazoduc liquéfaction, mais 5 à 10% produit sur place Coût H2 : élevé, baissera vers 16 c /kwh = 5,3 /kg en c /kwh = 4,0 /kg vers 2027 = 1.6 à 1,2 /L eq gazole 10

11 Procédé de génération d hydrogène Combustible Utilisation Hydrogène Air O2 Module Hot Chaud module Module Hot module Froid Module Hot de Purification module Vaporisation Préchauffage Conversion en H2 + CO Récupération de chaleur Refroidissement Réservoir d eau Conversion CO en CO 2 (HTS et LTS) PrOx1 et PrOx2 Refroidissement Récupération de chaleur Epuration H2 H2S CO H2O CO2 (selon utilisation) Eau Post combustion Condensation de l eau Récupération de chaleur Condensation CO2 (procédé GENHSTOK) 11

12 Procédés de Vapo-Reformage (SR) et ATR La réaction de vapo-reformage du gaz naturel se fait vers 900 C sur catalyseur à base de nickel : CH4 + H2O CO + 3 H2 Endothermique, elle nécessite un apport de chaleur important et à haute température (combustion externe = SR ou interne: ATR) Elle est complétée par la réaction du gaz à l eau, catalytique, entre 200 et 300 C: CO + H2O CO2 + H2 L hydrogène est ensuite purifié, le plus souvent en utilisant un PSA La combustion des gaz de purge du PSA sert à chauffer le réacteur de reformage Rendement énergétique global de production d H2 est 70 à 75% Variantes, pour l utilisation en pile à combustible Certaines PAC peuvent fonctionner avec du reformat : H2 dilué dans CO2 et H2O D autres PAC réalisent le reformage du gaz naturel dans le compartiment anodique 12

13 Production d H2 à partir du biogaz Influence des composés minoritaires? et majoritaires? Equivalents Conc. mg/nm3 SOUFRE TOTAL (S) 600, SOUFRE (EQUIVALENT H2SO4) 1 800, CHLORE TOTAL (Cl) 8,7 FLUOR TOTAL (F) 14, SILICIUM TOTAL (Si) 10, EQUIVALENT SILICE (SiO2) 21, Gaz Majeurs Conc. % v/v METHANE (CH4) 48 ± 1 OXYGENE (O2) 1,00 ± 0,04 DIOXYDE DE CARBONE (CO2) 42 ± 1 AZOTE (N2) 8,7 ± 0,3 HYDROGENE (H2) < 1 13

14 Production d H2 à partir du biogaz Le soufre est un poison des catalyseurs Violent pour les PEMFC basse température (épurer H2 < 50 ppb) Fort pour les catalyseurs de reformage (épurer fuel < qq ppm) Les composés chlorés, fluorés, métalliques sont des poisons des catalyseurs, effets peu étudiés, peu connus La présence importante de CO2 modifie : les équilibres chimiques de reformage, de water gas shift les inerties thermiques des réactifs et produits (besoins de chaleur) les cycles de fonctionnement des PSA d épuration du reformat Mais : on peut envisager un reformage au CO2 et économiser de la vapeur d eau : CH4 + CO2 2 CO + 2 H2 Donc épurer le biogaz de ses composés minoritaires avant de réaliser une conversion catalytique Eliminer le CO2 en amont ou adapter le procédé aux fortes teneurs en CO2 Le procédé N-GHY, non catalytique, peu sensible aux polluants, présente un avantage 14

15 Procédés de traitement / captation des impuretés 15

16 Procédés de traitement / captation des impuretés Développement des procédés : Nombre d'installations par type de proc membrane PSA absorption par solvant Cryogenie absorption par l'eau 16

17 Exemple de générateur H2 commercial (GN) Système proposé par la société HYGEAR (NL) 5, 10, 50 Nm3/h Quelques unités de démonstration vendues Fourniture, installation, exploitation, et maintenance : proposées par la S.A. EUCLHYD (Albi) 17

18 Exemple de générateur H2 commercial (GN) Systèmes proposés par les sociétés Mitsubishi Kakoki Kaisha (J) Modules HyGeia : 50, 100, 200 Nm3/h Une dizaine d unités vendues au Japon et en Corée Adaptation possible au GPL, naphta, kérosène Fourniture, installation, exploitation, et maintenance : proposées par la S.A. EUCLHYD (Albi) Osaka Gas (J) Modules HyServe 30 Nm3/h depuis 2003 : 11 unités vendues dont 2 en stations-service 100 Nm3/h depuis Nm3/h prêt 18

19 Exemple de générateur H2 commercial (GN) Système proposé par la société H2Gen (US) Modules 54, 84 et 268 Nm3/h Une vingtaine d unités vendues aux US (applications industrielles), forte croissance des ventes Des dizaines de milliers d h de bon fonctionnement Fourniture, installation, exploitation, et maintenance proposées par la S.A. EUCLHYD (Albi) 19

20 Exemple de générateur H2 prototype Système proposé par la société N-GHY (Albi) Module NerGHy_HPO_30 Nm3/h captage CO2 Module NerGHy_MPA_08 Nm3/h Système flexifuel, non catalytique pour l étape de reformage : Gaz naturel Gazole Naphta Diester Glycérol Bioéthanol Biogaz Fourniture, installation, exploitation, et maintenance dans quelques années par la S.A. EUCLHYD (Albi) 20

21 Le coût de l hydrogène produit sur site Le prix décroît lorsque la capacité de l installation augmente Application stations-service: pour une unité de 500 m3/h, permettant par ex. d alimenter 50 bus, amortie sur 8 ans, le prix de H2 à la pompe serait, en 2008, de 4,4 /kg équivalent à un prix de 1,29 /L de gazole Des kilomètres moins chers : avec une PAC en système de propulsion, le nombre de km réalisables avec un plein est multiplié par 2 Répartition du coût de l H 2 pour un générateur de 100 Nm 3 /h distribution; 6,6% génie civil et divers; 4,3% stockage sous pression; 12,1% compression 800 bar ou 200 bar; 11,5% études et mise en service; 6,8% épuration complémentaire ; production H2; 56,0% exploitation, maintenance suivi, maintenance 21% 21% électricité 6% combustible 28% amortissement investissement Capacité du générateur d H 2 (Nm 3 /h) Applications industrielles : le coût est plus faible car compression HP, stockage HP et distribution sont évités (investissement et exploitation) Des économies par rapport à de l H2 comprimé transporté en trailer 200 bar : Pour 100 km de distance à la source H2 : + 14% de coût, + 7,5 % d énergie + 5% de CO2 émis Des économies par rapport à de l H2 liquéfié transporté en trailer cryotechnique 21 35% frais financiers 10% Prix équivalent gazole de l H 2 à la pompe HT ( /L) 1,91 1,57 1,29

22 Intérêt de la transformation du biogaz en H2? Mars 09 Objectif : comparaison des filières Economique Energétique Environnemental Les filières Electricité Moteur àgaz MCFC SOFC Carburant GNV H2V Matière BG Thermique GN H2 Industriel Les critères Economie TRI VAN Investissement Prix de revient Energie/Env. CO2 évité Energie primaire évitée 22

23 Positionnement des filières de valorisation du biogaz - Hypothèse 50 Nm3/h CH4 - CO2 évité - Energie primaire économisée 23

24 Positionnement des filières de valorisation du biogaz - Hypothèse 50 Nm3/h CH4 24

25 Positionnement des filières de valorisation du biogaz - Prix de vente Prix de vente Valorisation thermique Electricité H2 carburant GNV H2 industriel GN réseau 33 /MWh 87 /MWh 150 /MWh (5 /kg) 83 /MWh (1,2 HT/kg) 300 /MWh (10 /kg) 39 /MWh 25

26 Positionnement des filières de valorisation du biogaz 50 Nm3/h CH4 350 Nm4/h CH4 À partager entre producteur de biogaz, transformateur, distributeur et utilisateur final 26

27 Positionnement des filières de valorisation du biogaz 350 Nm4/h CH4 27

28 Le marché de l hydrogène industriel en France Consommation d H2 marchand Débit moyen: > 28

29 Le marché de l hydrogène industriel en France nombre de sites et niveau de consommation 4 sites 237 sites 12 sites 19 sites 8 sites 4 sites 96 sites 78 sites 37 sites 21 sites 5 sites 29

30 Le marché de l hydrogène industriel en France Les sites de production, marchands et captifs 30

31 Le marché de l hydrogène industriel en France Distance aux sites de production marchands 31

32 Le marché de l hydrogène industriel en France Coût et CO2 émis pour l H2 marchand 32

33 Conclusion: Intérêt des filières H2 33 H2 = Bénéficier des meilleurs prix de vente, des meilleurs rendements des PAC, éviter CO2 fossile, Hydrogène électricité: MCFC, SOFC, Meilleur rendement que moteurs à gaz Mais investissements encore trop élevés : prévoir des démonstrations, Décroissance rapide invest. : standardisation, effet échelle, effet de volume Hydrogène carburant VAN équivalente au bio-gnv et TRI plus faible que bio-gnv Economies d énergie finale et CO2 dans le cas d utilisation de véhicules à PAC (véhicule hybride, électrique + excellent rendement de la PAC : 2 fois moins d énergie en utilisation urbaine) Hydrogène industriel Les meilleurs VAN et TRI Bénéficier de sources proches d H2 : éviter les coûts de transport, limiter les émissions de CO2 fossile: 10 t CO2 / t H2 +éviter taxe CO2 Un véritable marché, à explorer

34 Merci de votre attention 34