6.1 Classement ICPE des sites de production
Deux rubriques ICPE concernent la fabrication et le stockage de dihydrogène : - La rubrique 1416 est relative au « stockage ou emploi d’hydrogène » ; - La rubrique 1415 est relative à la « fabrication industrielle d’hydrogène ».
Les seuils sont présentés dans le tableau ci-après :
Tableau 66. Récapitulatif des principaux seuils ICPE concernant la production et l’utilisation d’hydrogène
Régime ICPE Rubrique 1415
Fabrication industrielle
Rubrique 1416 Stockage ou emploi Quantité maximale d’être susceptible présente sur le site :
Non classé (NC) - < 100 kg
Déclaration (D) - 100 kg > --- < 1 t
Autorisation (A) < 50 t 1 t > --- < 50 t Autorisation avec servitude (AS) > 50 t > 50 t
Il est toutefois à noter que le cadre réglementaire est en cours de refonte car le cadre actuel (présenté ci-avant) n’est pas adapté aux productions décentralisées (notamment dans le contexte actuel du développement de petites productions de type électrolyse). Un groupe de travail a en particulier été mis en place entre l’ADEME, AFHYPAC, l’INERIS et le DGPR).
Se profile notamment la création de régime intermédiaire (déclaration, enregistrement) pour la rubrique production, bien que les discussions soient encore très amont. Les premiers éléments tendent à montrer que la mise en place d’un régime de déclaration pour les unités de production de 1 à 1000 Nm3/h serait
adaptée.
A noter qu’une étude de benchmark réglementaire à l’échelle mondiale est en cours de réalisation par l’ADEME.
6.2 Evaluation des impacts environnementaux des systèmes alternatifs de
production d’hydrogène
6.2.1 Méthode de comparaison des procédés Nous proposons de comparer les procédés sur 4 points :
- Consommation en électricité, - Consommation en eau, - Consommation en énergie,
- Production équivalente en gaz à effet de serre.
Les hypothèses suivantes sont prises [95] :
o Contenu CO2 du gaz naturel : 242 g eq.CO2/kWh PCI dont 37 g eq.CO2/kWh pour la
o Contenu CO2 de l’électricité en France (EDF) : 0,035 g eq.CO2/kWh (valeur EDF sur
données 2012),
o Contenu CO2 du gazole routier : 2,49 kg eq.CO2/L,
o Contenu CO2 produit par la décomposition / l’oxydation des ressources fatales ou
renouvelables : 0,0 g eq.CO2/kWh,
o Contenu CO2 de transport du bois : 285 g eq.CO2/t.km.
L’étude ne consiste pas en une étude ACV complète ; elle ne propose qu’une estimation qualitative de l’impact des différentes filières.
6.2.2 Comparaison des procédés traditionnels aux procédés de production thermochimiques biosourcés
L’étude s’appuie sur les données des fiches réalisées par la structure AFPHYPAC [250] [10]. Les résultats sont présentés dans le tableau suivant.
Tableau 67. Indicateurs de l’impact sur l’environnement des différents moyens de production d’hydrogène
Indicateurs Consommation d’électricité mation d’eau Consom- Consommation d’énergie Fossile Renouv./fatale
Emission
de GES* Autres éléments
kWh/Nm3H2 L/Nm3H2 kWh/Nm3H2 kWh/Nm 3 H2 kq eq. CO2 /Nm3H 2 Electrolyse alcaline 5,00 1,00 0,38 0 0,026 Consommation en matière première limitée (pas de catalyseurs juste électrolyte) Oxydation partielle 0,35 0,12 22,3 0 0,368 Vaporeformage méthane 0,03 0,75 15 0 0,377 Gazéification bois 0,23 0,48 2,4 24,12 0,212 Conflit d’usage de la ressource Vaporeformage biogaz 0,11 0,53 3,7 11,04 0,246
* Le calcul des émissions prend en compte :
- la quantité de CO2 émise par la décomposition des ressources (charges) hors ressources renouvelables, - le transport des combustibles solides (bois),
- les émissions liées à la production de vapeur (chauffage gaz), - les émissions liées à l’électricité.
Ce tableau montre que les procédés de production de dihydrogène à partir de déchets (bois) ou de ressources fatales (biogaz) sont plus vertueux du point de vu des émissions de GES. La gazéification de bois permet en effet une réduction de 43 % des GES par rapport à la production d’hydrogène par vaporeformage du méthane, tandis que le reformage du biogaz permet une réduction de 35 % des émissions de GES.
Cela est vrai à l’exception de l’électrolyse alcaline, notamment du fait du caractère décarboné de l’électricité en France.
La gazéification de bois apparait comme plus vertueuse que le reformage du biogaz. Cela est grandement lié à deux faits :
- la considération d’une hypothèse de facteur nul pour les émissions de GES lié à la décomposition thermochimique du bois,
- la consommation de vapeur plus importante (donc une augmentation de la part de chauffage) dans le cas du reformage de biogaz.
Dans une approche plus globale de mobilisation de ressources mêmes renouvelables, la gazéification de la biomasse apparait comme consommatrice d’une ressource à mobiliser, alors que le reformage du biogaz provient de la transformation d’une ressource fatale.
Pour rendre ces procédés innovants performants sur le plan environnemental, il s’agira donc :
- de favoriser la performance énergétique en augmentant la récupération de chaleur soit sur les procédés, soit par des gisements de ressources renouvelables ou fatales à proximité (synergie énergétique avec des rejets de chaleur, etc.)
- de favoriser la réduction des consommations d’eau par exemple en favorisant le recyclage de l’eau qui pourrait être récupéré au niveau du condenseur,
- de s’implanter à proximité des charges à consommer (réduction du transport dans le cas de la biomasse),
- de s’implanter à proximité des consommateurs et notamment ceux qui sont actuellement éloignés des sites de production traditionnelle : cela permettra de réduire les impacts liés au transport du dihydrogène, bien qu’il ne soit pas pris en compte dans le Tableau 67.
Il s’agira donc de développer ces procédés dans une logique de gestion intelligente des ressources et des énergies.
A noter qu’une étude commanditée par l’ADEME intitulée « Evaluation environnementale du vecteur hydrogène appliquée à la mobilité » [251] présente une analyse de cycle de vie s’appuyatn notamment sur une analyse bibliographique. Concernant la voie production d’hydrogène issu de biogaz, les résultats sont à relativiser compte tenu de la faiblesse des données d'entrée (1 seule valeur). Ces travaux permettent malgré tout de confirmer l'intérêt environnemental du vecteur H2 pour la mobilité,
dès lors qu'il est issu d'une source renouvelable (biomasse ou électricité).
6.2.3 Analyse environnementale succincte des procédés bilogiques basée sur la bibliographie
Au regard du manque de retour d’expérience sur les procédés biologiques de production de biohydrogène, l’estimation des impacts environnementaux s’avère encore hasardeuses. Néanmoins, de récentes études ont tenté d’évaluer les modes de productions biologiques de l’hydrogène. Ainsi Manish et Banerjee (2008) comparèrent les technologies de photobioprocédés (biophotolyse et photofermentation) ainsi que les procédés fermentaires et les cellules d’électrolyse microbienne pour la production d’H2 à partir de canne à sucres (mélasses). Ces bioprocédés furent comparés à la méthode
de reformage du méthane. Ainsi ces auteurs montrèrent que si les coproduits n’étaient pas considérés (méthanisation des résidus et réutilisation de la chaleur et de l’électricité), le gain énergétique des procédés biologiques étaient significativement plus faible. Toutefois, en considérant l’ensemble des coproduits, l’utilisation d’énergie non renouvelable nécessaire au fonctionnement des installations est réduite et l’efficacité des procédés biologiques est très largement démontrée.
Ainsi, il est montré que pour 1 kg H2 généré, les procédés biologiques réduisent de près 60 à 75 % les
émissions de gaz à effet de serre et les besoins en énergies externes non renouvelables (Manish & Banerjee, 2008).
Ainsi dans un schéma où la production biologique de dihydrogène serait couplé à un procédé de méthanisation (permettant de rendre l’installation énergétiquement autonome), les meilleures efficacités énergétiques (énergie récupérée à partir du substrat) sont obtenues pour la fermentation sombre seule avec une efficacité de près de 89 %, contre 82 % en photofermentation et 76 % en cellules d’électrolyse microbienne [63].
Dans une étude spécifique aux procédés biologiques de fermentation, Djomo et Blumberga (2011) comparèrent l’utilisation de trois sources distinctes de biomasse, la paille de blé, les tiges de sorgho et les pelures de pomme de terre. Quand les coproduits ne sont pas considérés, selon une méthodologie similaire à Manish & Banerjee, les émissions de gaz à effet de serre sont comprises entre 5,2 à 5,6 kgCO2eq.kgH2-1. La production biologique d’H2 permet de réduire d’environ 60% l’émission de gaz à effet
de serre par rapport au reformage du méthane.
Enfin, plus récemment, Patterson et al. (2013) entreprirent une analyse environnementale de l’utilisation de biométhane ou biohydrogène/biométhane en tant que biocarburant (utilisation dans les transports). Quel que soit le substrat utilisé (ici déchets alimentaires ou paille de blé prétraitée), les impacts de l’utilisation de biocarburant biohythane étaient toujours très favorables par rapport aux véhicules diesel que ce soit en termes de composés cancérigènes, d’écotoxicité, et dans une moindre mesure, d’impact sur le changement climatique. Plus précisément, il fut montré que le bénéfice global d’un procédé deux étapes pouvait différer en fonction du substrat utilisé. En effet, sur des déchets produisant plus d’H2 par
voie fermentaire (déchets alimentaires), l’énergie totale est légèrement inférieure, le procédé ayant été particulièrement optimisé pour produire de l’hydrogène. Sur des substrats de type paille de blé, où le rendement H2 est un peu plus faible, les bénéfices environnementaux sont tous très favorables dans un
schéma d’un bi-étape H2/CH4.
Globalement, l’optimisation du couplage des procédés de production H2 et valorisation des résidus en
CH4 à partir de substrats lignocellulosiques paraît donc être une solution optimale pour réduire les
impacts environnementaux de production d’énergie renouvelable. Ceci que ce soit pour produire de l’H2
seul (en valorisant la récupération d’énergie issu de la méthanisation), soit en produisant directement des biocarburants de type biohythane.
7 Aspects risques et sécurité
Cette partie recence les risques liés à l’exploitation d’équipements produisant ou utilisant de l’hydrogène. L’étude est fondée principalement sur trois documents :
- Rapport INERIS : « Les techniques de production de l’hydrogène et les risques associés » 2008. [252]
- Fiche de la structure AFH2 : « Inflammabilité et explosivité de l’hydrogène », 2001 [253]
- AFH2 : « Sécurité : Transport Stockage et Utilisation », 2009 [254]
- DGSCGC « Note d'information opérationnelle », 2013 [255]