Potentiel industriel et faisabilité du procédé

4.1.

Contexte d’application du bioprocédé

Les avancées scientifiques au niveau fondamental sont les premières étapes à franchir dans le but de permettre des améliorations de performances nécessaires pour imaginer l’utilisation du procédé biohydrogène à l’échelle industrielle. Les voies proposées dans cette recherche constituent quelques pistes de travail. Mais la technologie devra, à l’avenir, faire partie d’un système complet et intégré visant à la production de vecteurs énergétiques « verts ». Cette évolution est envisageable si, et seulement si, les avancées scientifiques sont conjuguées à la volonté politique et la possibilité économique de réaliser la société hydrogène.

Tout d’abord, les études scientifiques manquent encore de réalisations à moyenne ou grande échelle sur le long terme. Cela est pourtant une condition

sine qua non pour éveiller l’intérêt d’investisseurs qui reposera sur des preuves

de fonctionnement sur la durée, étant donné les investissements que des installations de production de biohydrogène demanderaient. Actuellement, les études les plus longues ont été réalisées sur des périodes allant de quelques mois à un an. Les volumes les plus larges étudiés approchent les quelques mètres cubes maximum, la plupart des pilotes ayant un volume de quelques dizaines à centaines de litres. Par ailleurs, comme cela a été discuté, le procédé devra montrer sa faisabilité en intégration avec une seconde technologie de valorisation énergétique. Cette conception devra tenir compte du type de substrat à dégrader, de sa concentration, de sa quantité, etc. Ensuite, le monde politique devra probablement montrer un intérêt franc et massif pour l’hydrogène afin de favoriser l’émergence de ces technologies. Cela pourrait arriver avec une prise de conscience importante de l’urgence environnementale dans laquelle la planète se trouve. Cependant, le contexte macro économique actuel pousse plutôt les politiques à oublier cet aspect pour régler prioritairement les problèmes sociaux et économiques. Pourtant, une politique forte d’incitants fiscaux en faveur de la production d’énergie renouvelable, mais aussi de vecteurs énergétiques plus verts, pourrait amener rapidement des solutions à des problèmes économiques, sociaux et

environnementaux (création d’une plus-value, d’emplois et d’énergie verte en une seule fois). Plusieurs États prévoient l’arrivée de l’hydrogène et développent des plans d’investissement massifs en faveur des technologies qui tournent autour de cet élément.

De nombreux autres facteurs technologiques influenceront l’apparition du biohydrogène dans nos sociétés, résidant principalement en les moyens d’utilisation de l’hydrogène (développement des piles à combustible) et de stockage. Des marchés de niches sont d’ores et déjà identifiés, tels que le secteur automobile, celui du transport local ou du traitement individuel des eaux usées.

4.2.

Potentiels et barrières économiques

Actuellement, l’augmentation du prix des ressources fossiles (gaz naturel, pétrole et charbon) utilisées comme sources d’hydrogène dans les procédés thermochimiques rend les moyens alternatifs de production d’hydrogène à partir de biomasse de plus en plus attractifs. Néanmoins, la conception d’un procédé de biohydrogène ne permet de dégager une certaine rentabilité que lorsque certaines conditions sont rencontrées. Actuellement, les techniques traditionnelles de production d’hydrogène « fossile » (gaz naturel et charbon) permettent de produire 1kg d’hydrogène (soit 119.9 MJ, environ équivalent à 1 gallon d’essence) pour respectivement 2.33 – 4 $ et 0.36 – 1.83 $ (Bartels et al., 2010). Les technologies de production renouvelable d’hydrogène (biomasse, nucléaire, solaire, éolien) permettent d’envisager des coûts de production de l’ordre de respectivement 1.44 $, 1.84 $, 5.78 $ et 2.27 $. Certaines de ces technologies pourraient donc être déjà compétitives avec les méthodes classiques de production. Cependant, seul le biohydrogène fermentatif permet d’ajouter à la production d’hydrogène un « service » de digestion des matières organiques, apportant dès lors une plus-value au procédé. C’est seulement dans ce cadre que celui-ci peut être défini comme rentable.

En effet, le choix du substrat est un point essentiel afin de permettre la faisabilité du procédé à grande échelle. L’utilisation d’un substrat coûteux ne permet pas d’envisager une rentabilité du procédé. Ainsi, deux voies s’ouvrent quant aux substrats qu’il faudra envisager dans un procédé

biohydrogène. D’une part, les substrats à coût négatif, c'est-à-dire les eaux usées nécessitant un traitement d’abattage de la DCO, constituent un premier moyen d’arriver à la rentabilité du procédé. D’autre part, l’utilisation de biomasse ligno-cellulosique est également envisageable dans le futur. Cependant, ce substrat nécessite des prétraitements chimiques ou biologiques rendant actuellement cette perspective assez éloignée.

Plusieurs business-plans de production de biohydrogène ont été étudiés dans la littérature scientifique et sont encourageants pour l’avenir de cette technologie. Les défis restent cependant nombreux (Levin et Chahine, 2010; Li

et al., 2012; Ljunggren et Zacchi, 2010; Nath et Das, 2004b). À Taiwan, le

traitement d’eaux usées de brasseries pour la production de méthane et d’hydrogène par fermentation anaérobie montre un taux annuel de retour de 30 à 80%, selon la technologie envisagée (UASB ou CSTR),la taille du bioréacteur (de 50 à 400 m³) et du système d’évaluation utilisé. La taille optimale du bioréacteur a été déterminée à environ 50 m³. Les effluents alimentés dans le bioréacteur devraient être suffisamment concentrés afin de pouvoir limiter le volume nécessaire au plan de méthanisation qui souffre plus rapidement de washing out des microorganismes et requiert des temps de séjour plus long. Selon les hypothèses retenues, un tel système coûterait de l’ordre de 3 à 6 $ par kg d’hydrogène produit et serait autosuffisant énergétiquement parlant, permettant de produire, sous forme de biogaz, de l’ordre de quelques centaines de KW à une dizaine de MW d’hydrogène, selon la dimension de l’installation envisagée. Cela permet de traiter les effluents d’industries agro-alimentaires de taille moyenne (quelques dizaines de tonnes de matière sèche par jour). Par comparaison, les technologies de photo fermentation demandent des surfaces de production nettement plus importantes pour atteindre les mêmes puissances d’installation (de l’ordre de plusieurs centaines de m²), rendant les coûts fixes extrêmement importants (plus de 90% de l’investissement annuel) En outre, les coûts de productions s’avèrent plus faibles (1.5 à 2 $ par kg) car, dans le cas de la biophotolyse, les substrats ne doivent pas y être apportés. Le couplage avec la dark fermentation augmente substantiellement les coûts de production (jusqu’à 3.5 $ par kg) mais permet d’accélérer l’ensemble du procédé.

Cependant, l’utilisation du biohydrogène produit doit faire l’objet de toutes les attentions en vue d’être soit consommé (combustion avec le méthane, requérant une désulfurisation, ou utilisation en pile à combustible) ou injecté sur un réseau hydrogène (adaptation aux normes du réseau). Ces infrastructures supplémentaires engendrent des coûts et nécessitent surtout la commercialisation de ces structures de consommation d’hydrogène, ce qui sera, dans les années à venir, la barrière principale à l’application de ces technologies à grande échelle.

4.3.

La recherche fondamentale

Outre les perspectives d’application des procédés de production d’hydrogène par voie microbiologique, la recherche fondamentale sur le sujet n’a pas à être laissée en reste. Quelques voies ont été explorées au cours de ce travail, mais de nombreux domaines sont encore à investiguer en profondeur.

D’une part, l’utilisation des souches du genre Clostridium pour la production de biocarburant liquide fait l’objet de nombreuses recherches. En effet, placé en conditions de pH particulières, ce genre a la possibilité de réaliser la solvantogenèse, permettant la production d’éthanol ou de butanol. Ce dernier carburant liquide (une fois raffiné) présente un intérêt particulier au vu de sa haute densité énergétique en comparaison avec la plupart des carburants liquides (essence, diesel, éthanol, etc.). Cette voie de production est étudiée en particulier sur certaines souches telles que C. beijerinckii ou C.

acetobutlyicum.

D’autre part, les recherches approchant l’ingénierie métabolique et les outils biomoléculaires constituent également un large champ d’investigation qui pourrait permettre la compréhension de nombreux phénomènes biochimiques prenant place lors de la production d’hydrogène. D’une manière indirecte, cela permettrait donc d’améliorer la production d’hydrogène en observant, au plus près de la cellule, la manière dont celle-ci réagit à telle ou telle condition de fermentation. Ces différentes perspectives ont déjà été présentées dans le chapitre I. Il faut noter que plusieurs travaux ont été réalisés au laboratoire, notamment dans le cadre du projet MicroH2.