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Bien plus qu’une source d’électricité

La production nucléaire d’hydrogène au service d’un avenir bas carbone

Matthew Fisher

La salle de commande du réacteur à haute température HTR-10 de l’Université de Tsinghua, à Beijing. (Photo : P. Pavlicek/AIEA)

L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant dans l’univers, mais sa production sous une forme pure pour les besoins d’une vaste gamme de procédés industriels est très gourmande en énergie et a une empreinte carbone élevée.

« Les techniques de production à forte intensité de carbone, comme le reformage du méthane à la vapeur, satisfont près de 95 % de la demande actuelle en hydrogène. Compte tenu des besoins de la transition mondiale vers une énergie propre, ce n’est pas une solution durable, d’autant plus que la demande est déjà relativement élevée et continue d’augmenter », déclare Ibrahim Khamis, ingénieur nucléaire principal à l’AIEA. Selon l’Agence internationale de l’énergie, la demande d’hydrogène a plus que triplé depuis 1975.

La production d’hydrogène au moyen de l’énergie nucléaire offre une possibilité de réduire considérablement les émissions de carbone et de doper la rentabilité du secteur électronucléaire.
Anton Moskvin, vice-président chargé de la promotion et du développement commercial à Rusatom Overseas (Russie)

L’hydrogène est utilisé dans divers processus industriels, allant de la production de combustibles synthétiques et de produits pétrochimiques à la fabrication de semi-conducteurs, en passant par la charge des véhicules à pile à combustible. Afin de réduire l’impact environnemental de la production d’hydrogène, qui dépasse les 70 millions de tonnes par an, certains pays envisagent de se tourner vers l’électronucléaire.

« Par exemple, si seulement 4 % de l’hydrogène actuellement produit l’étaient à l’aide de l’électronucléaire, les émissions de dioxyde de carbone pourraient déjà être réduites de 60 millions de tonnes par an », explique Ibrahim Khamis. « Et si la production d’hydrogène reposait entièrement sur l’électronucléaire, ce sont alors 500 millions de tonnes d’émissions de dioxyde de carbone que nous pourrions éliminer chaque année. »

En combinant des réacteurs nucléaires de puissance avec une usine de production d’hydrogène, il est possible de constituer un système de cogénération qui permette de produire efficacement de l’électricité et de l’hydrogène. Pour pouvoir produire de l’hydrogène, un tel système doit être équipé soit d’un dispositif d’électrolyse, soit de composants permettant la mise en œuvre de processus thermochimiques. L’électrolyse est une technique qui consiste à générer un courant électrique continu pour décomposer des molécules d’eau en hydrogène et en oxygène. L’électrolyse de l’eau liquide s’effectue à des températures relativement basses, entre 80 et 120 °C, alors que l’électrolyse de la vapeur d’eau requiert des températures nettement plus élevées, ce qui rend cette dernière méthode bien plus efficiente. Étant donné que l’électrolyse de la vapeur d’eau exige un apport thermique d’environ 700 à 950 °C, elle pourrait constituer une technique idéale pour l’intégration dans des centrales nucléaires dotées de réacteurs avancés à haute température.

Les procédés thermochimiques de production d’hydrogène consistent à dissocier les molécules d’eau en provoquant des réactions chimiques avec certains composés à des températures élevées. Les réacteurs nucléaires avancés fonctionnant à très hautes températures peuvent également être utilisés pour produire la chaleur nécessaire à la mise en œuvre de tels procédés.

« Le cycle iode-soufre est une méthode de production d’hydrogène qui offre des possibilités très intéressantes pour une exploitation à grande échelle durable et à long terme », déclare Ibrahim Khamis. « Cette méthode très prometteuse est en train d’être mise au point au moyen du modèle japonais de réacteur expérimental à haute température (HTTR) et des modèles chinois de réacteur à haute température HTR-10 et de réacteur modulaire à lit de boulets à haute température HTR-PM 600. D’autres travaux de recherche continuent également d’avancer à grands pas. »

Plusieurs pays sont en train de mettre en œuvre ou d’étudier des méthodes de production d’hydrogène à l’aide de centrales nucléaires afin de réduire leurs émissions de carbone dans les secteurs de l’énergie, de l’industrie et des transports. C’est aussi un moyen de tirer davantage profit d’une centrale nucléaire, ce qui peut améliorer sa rentabilité.

L’AIEA fournit un appui aux pays intéressés par la production d’hydrogène au moyen d’initiatives comme des projets de recherche coordonnée et des réunions techniques. Elle a également mis au point le programme d’évaluation économique de l’hydrogène (HEEP), outil d’évaluation économique de la production d’hydrogène à grande échelle à l’aide de l’énergie nucléaire. Elle a en outre ouvert, au début de 2020, un cours en ligne sur la production d’hydrogène par cogénération nucléaire.

« La production d’hydrogène dans des centrales nucléaires pourrait grandement contribuer aux efforts visant à réduire les émissions de carbone, mais il faut d’abord relever un certain nombre de défis, dont la question de la viabilité économique de l’intégration de la production d’hydrogène dans une stratégie énergétique plus globale », explique Ibrahim Khamis. « La production d’hydrogène par décomposition thermochimique de l’eau exige des réacteurs innovants fonctionnant à très hautes températures, et il faudra encore attendre quelques années avant que de tels réacteurs soient mis en service. De même, la recherche-développement sur le cycle iode-soufre devra se poursuivre pendant plusieurs années encore avant que cette technique n’atteigne le niveau de maturité nécessaire à son exploitation commerciale à grande échelle. » Ibrahim Khamis ajoute que l’obtention d’autorisations pour les systèmes d’énergie nucléaire qui intègrent des applications non électriques constitue un autre défi.

Études et essais de faisabilité

L’initiative H2@Scale, lancée au début de 2020 par le Ministère de l’énergie des États-Unis (DOE), étudie la faisabilité de projets de systèmes d’énergie nucléaire pour la production simultanée d’hydrogène et d’électricité bas carbone. Parmi les dizaines de projets financés par cette initiative, l’un sera mis en œuvre par trois compagnies d’électricité américaines, en coopération avec le Laboratoire national de l’Idaho du DOE. Il comprendra des évaluations techniques et économiques, ainsi que des démonstrations pilotes de production d’hydrogène dans plusieurs centrales nucléaires aux États-Unis.

Exelon, une des compagnies d’électricité prenant part à ce projet et premier producteur américain d’électricité bas carbone, est en train d’entreprendre l’installation d’un électrolyseur à membrane échangeuse de protons d’un mégawatt et de l’infrastructure connexe dans une de ses centrales nucléaires. Ce système, qui pourrait être mis en service en 2023, servira à montrer la viabilité économique de la production d’hydrogène électrolytique pour répondre aux besoins des systèmes de production d’électricité sur site et pour d’autres utilisations éventuelles à l’avenir.

« Ce projet nous aidera à définir les perspectives offertes par la production d’hydrogène d’origine nucléaire, notamment à déterminer quelles répercussions peuvent avoir les considérations financières sur la production d’hydrogène à grande échelle et à long terme », déclare Scot Greenlee, vice-président directeur des services techniques chez Exelon Generation. « Le recours à la production nucléaire d’hydrogène peut jouer un rôle important dans l’accroissement de la durabilité de l’énergie nucléaire au moment où nous planifions la voie vers un avenir bas carbone. »

Des évaluations sont également en cours au Royaume-Uni. Le projet Energy Systems Catapult, initiative britannique à but non lucratif, vise à modéliser les systèmes énergétiques dans leur ensemble et peut maintenant intégrer les technologies nucléaires avancées de production d’hydrogène dans ses modèles. Ceux-ci donnent une idée de ce à quoi pourrait ressembler un bouquet énergétique qui permettrait, au plus faible coût possible, d’atteindre un bilan net nul d’émissions de gaz à effet de serre d’ici à 2050. Les résultats indiquent que les technologies nucléaires avancées pourraient, avec d’autres technologies, contribuer à la production d’hydrogène.

« Bien qu’il reste encore à déterminer la place qu’occupera l’hydrogène au Royaume-Uni, l’analyse effectuée par le Comité sur les changements climatiques et le Ministère britannique de l’économie, de l’énergie et de la stratégie industrielle suggère qu’il faudrait parvenir à produire environ 270 térawatts-heures d’hydrogène bas carbone d’ici à 2050, mais ce chiffre pourrait considérablement augmenter suivant les applications — chauffage, électricité ou transports — dans lesquelles l’hydrogène sera finalement utilisé », explique Philip Rogers, conseiller stratégique et économique principal au Conseil consultatif sur l’innovation et la recherche nucléaires du Royaume-Uni.

Nouveaux programmes

En 2019, la Russie a lancé son premier projet de production nucléaire d’hydrogène. Ce programme, géré par la Corporation d’État de l’énergie atomique « Rosatom », combinera l’électrolyse nucléaire et la production thermochimique à l’aide de réacteurs à haute température refroidis par gaz. L’objectif est de produire chaque année de grandes quantités d’hydrogène tout en abandonnant les techniques à forte intensité de carbone, telles que le reformage du méthane à la vapeur.

L’hydrogène produit sera destiné aussi bien à la consommation intérieure qu’aux marchés extérieurs. Une évaluation de faisabilité sur l’exportation d’une partie de l’hydrogène au Japon est menée en ce moment.

« Étant donné que la demande d’hydrogène, stimulée par l’expansion de secteurs comme l’industrie métallurgique, continue de croître, la production d’hydrogène au moyen de l’énergie nucléaire offre une possibilité de réduire considérablement les émissions de carbone et de doper la rentabilité du secteur électronucléaire », affirme Anton Moskvin, vice-président chargé de la promotion et du développement commercial à Rusatom Overseas.

La centrale nucléaire de Davis-Besse, en Ohio, produira de l’hydrogène à partir de l’énergie nucléaire. (Photo : B. Rayburn/Centrale nucléaire de Davis-Besse)

De l’hydrogène et plus encore

L’électronucléaire peut être utilisé dans une gamme d’applications non électriques qui va au-delà de la seule production d’hydrogène, par exemple pour le chauffage des habitations et des commerces, le chauffage et le refroidissement à des fins industrielles, et le dessalement de l’eau de mer afin d’améliorer l’accès à l’eau potable.

Le recours à ces applications augmente également au fur et à mesure que sont élaborés de nouveaux systèmes d’énergie nucléaire destinés à optimiser la combinaison des utilisations électriques et non électriques ainsi que l’intégration avec les sources d’énergie renouvelables. De nouveaux modèles de réacteurs, comme les petits réacteurs modulaires, qui permettent une exploitation en régime flexible, c’est-à-dire dont la puissance électrique peut être ajustée en fonction des besoins, sont également en cours de mise au point. Parce que l’énergie habituellement utilisée pour la production d’électricité peut alors être affectée à des applications non électriques, ces réacteurs sont particulièrement bien adaptés à de tels usages.

September, 2020
Vol. 61-3

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