La pyrolyse du méthane, également appelée craquage du méthane ou hydrogène turquoise, est la décomposition à haute température du méthane en hydrogène gazeux et en carbone. Elle est en concurrence directe avec l'hydrogène bleu, l'hydrogène issu du reformage du méthane à la vapeur et du piégeage et de la séquestration du carbone (CSC), pour la production d'hydrogène à faible teneur en carbone à partir du gaz naturel. Dans la pyrolyse du méthane, tout le carbone contenu dans le méthane est capturé sous forme solide au lieu d'être émis sous forme de dioxyde de carbone.
La pyrolyse du méthane nécessite environ la moitié de la quantité d'énergie requise par le reformage à la vapeur pour produire la même quantité d'hydrogène. Enfin, le sous-produit de carbone solide peut être vendu sur le marché sous forme de noir de carbone, ce qui compense le coût de l'hydrogène produit. L'ensemble de ces facteurs fait de la pyrolyse du méthane une option technologique prometteuse pour produire de l'hydrogène à faible teneur en carbone.
Il existe différentes variantes de la pyrolyse du méthane, que l'on peut classer en trois catégories : la pyrolyse thermique, la pyrolyse par plasma et la pyrolyse catalytique. Malgré ces variations, elles présentent toutes des défis techniques communs : des températures de traitement élevées requises pour des taux de conversion élevés, la pureté de l'hydrogène gazeux et la séparation du carbone solide de la phase gazeuse afin d'éviter l'empoisonnement du catalyseur (le cas échéant) et les blocages du système de réacteur.
Pour obtenir une vue d'ensemble du paysage technologique de la pyrolyse du méthane et de la répartition des acteurs, nous avons analysé les principaux développeurs en fonction de leur activité historique en matière de brevets, de publications universitaires, de financement de démarrage et de projets en cours. Ces informations permettent de définir les tendances futures et d'identifier les opportunités pour les innovateurs cherchant à s'engager avec les acteurs de la pyrolyse du méthane.
Les Amériques et la région EMEA sont les leaders régionaux de la pyrolyse du méthane
Ce n'est pas une surprise, car la pyrolyse du méthane est une plate-forme technologique complexe qui en est à ses débuts et dont le développement est encouragé par l'utilisation du gaz naturel pour produire de l'hydrogène à faible teneur en carbone. Pour cela, il faut une forte volonté régionale de décarbonisation, un appétit pour les investissements à haut risque et/ou un approvisionnement local abondant en gaz naturel. Les États-Unis et la Russie sont les deux pays leaders dans ce domaine.
Alors que le Japon et la Corée du Sud ont des objectifs ambitieux en matière de décarbonisation, et que l'Asie du Sud-Est et l'Australie disposent d'une offre abondante de gaz naturel, aucune région de l'APAC n'a encore réuni les conditions propices au développement de la pyrolyse du méthane. Cependant, nous pensons que la Chine va devenir un acteur clé.
Les startups sont de plus en plus actives dans la pyrolyse du méthane
La pyrolyse du méthane a été largement dominée par les grandes entreprises, mais au cours de la dernière décennie, plusieurs start-ups ont été fondées pour développer et déployer des technologies de pyrolyse du méthane qui avaient été développées à l'origine dans des instituts de recherche. Globalement, il n'y a pas encore de leader incontesté dans le domaine de la pyrolyse du méthane - bien que Monolith Materials ait porté sa plateforme au stade de la démonstration, les performances de sa technologie ne sont pas claires. Par ailleurs, les grandes entreprises et les jeunes pousses se trouvent à un stade similaire de développement technologique avec leurs plateformes.
L'espace universitaire est actif mais très fragmenté
Dans le domaine de la pyrolyse du méthane, les instituts de recherche sont largement plus nombreux que les entreprises et les jeunes pousses. Seuls deux d'entre eux, l'Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique appliquée (TNO) et l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), se distinguent en faisant passer leur technologie à l'échelle d'installations pilotes. D'autres institutions actives dans la pyrolyse du méthane n'ont pas encore dépassé le stade des unités expérimentales. Un certain nombre de ces institutions sont basées en Chine, et leurs technologies sont susceptibles d'être absorbées par des entreprises chinoises lorsqu'elles seront prêtes à passer à l'échelle supérieure.
- Plasma : Forme la plus aboutie de la pyrolyse du méthane, elle utilise une torche à plasma où le méthane se pyrolyse à des températures comprises entre 1 000 °C (plasma froid) et 2 000 °C (plasma chaud). Le plasma froid permet généralement de convertir le méthane à moins de 50 % sans catalyseur, tandis que le plasma chaud permet généralement de convertir le méthane à plus de 90 %. La société norvégienne Kværner (aujourd'hui Aker Solutions) a déployé en 1997 la première et unique installation de pyrolyse du méthane à l'échelle commerciale utilisant la technologie du plasma chaud, où l'hydrogène produit était recirculé dans la torche à plasma. L'installation a été mise hors service en 2003 en raison de la qualité insuffisante du noir de carbone produit. Aujourd'hui, Monolith Materials est l'entreprise leader. Elle utilise la technologie du plasma chaud basée sur le procédé de Kværner et a lancé sa première installation de démonstration aux États-Unis en 2020, produisant du noir de carbone comme produit principal. Gazprom est la seule entreprise actuellement active dans la technologie du plasma pour la pyrolyse du méthane - sa technologie du plasma froid est soutenue par un catalyseur au nickel pour atteindre des rendements de conversion du méthane de 80 %, mais la technologie est encore à l'échelle du laboratoire.
- Thermique: Dans la pyrolyse thermique, le méthane se dissocie en hydrogène et en carbone à des températures comprises entre 1 000 °C et 1 500 °C. La différenciation porte sur le type de réacteur utilisé dans le processus. BASF utilise un réacteur à lit mobile chauffé électriquement dans lequel les granulés de carbone circulent à contre-courant des phases gazeuses et le méthane se pyrolyse directement sur les granulés à 1 400 °C. KIT fait passer le méthane dans un réacteur à colonne à bulles d'étain liquide à 1 200 °C, où le carbone solide formé flotte à la surface du liquide et peut être séparé par des moyens non divulgués. TNO utilise également un réacteur à métal fondu fonctionnant à plus de 1 000 °C et sépare le noir de carbone du métal liquide à l'aide de sel fondu. Actuellement, toutes les plates-formes technologiques de pyrolyse thermique sont à l'échelle du laboratoire et il est peu probable qu'elles atteignent une échelle commerciale avant 2030.
- Catalytique : dans la pyrolyse catalytique, le méthane se décompose en hydrogène et en carbone sur un catalyseur métallique, généralement à base de nickel ou de fer, à des températures inférieures à 1 000 °C. Actuellement, le groupe Hazer est le principal acteur dans ce domaine - la société utilise un réacteur à lit fluidisé avec un catalyseur à base de minerai de fer, fonctionnant à 850 °C. Elle en est actuellement à l'échelle pilote et n'a pas d'objectifs clairs en matière de commercialisation. C-Zero est le dernier venu dans le secteur de la pyrolyse du méthane. Bien que sa technologie reste floue, il semble que l'entreprise utilise un processus catalytique mais aussi des sels fondus pour séparer le carbone solide.
Dans l'ensemble, le paysage technologique de la pyrolyse du méthane est fragmenté entre les technologies, sans aucune valeur sûre. Bien que Monolith Materials semble être proche de l'échelle commerciale avec sa technologie plasma, le manque de détails entourant son projet ainsi que les mauvais antécédents commerciaux du procédé Kværner nous empêchent de considérer le plasma comme le grand gagnant de la pyrolyse du méthane pour l'instant.
BASF et TNO développent activement leurs plateformes de pyrolyse thermique, mais ont admis qu'une installation à l'échelle commerciale est peu probable avant 2030. Quant aux multiples start-ups actives dans ce domaine, leurs objectifs de commercialisation sont généralement très ambitieux et elles n'ont pas encore trouvé les partenaires ou le financement nécessaires à la mise à l'échelle de leurs technologies.
#LuxTake
Compte tenu du stade précoce de la pyrolyse du méthane et de la gamme de technologies disponibles, une évaluation économique du processus fait encore défaut. La littérature académique et les conversations avec les développeurs de technologies indiquent que la pyrolyse du méthane sera plus coûteuse que l'hydrogène bleu. Toutefois, les défenseurs de la technologie s'empressent de souligner que la vente du sous-produit de carbone sur le marché le rendra moins cher que l'hydrogène bleu. Néanmoins, les innovateurs devraient être prudents, car une telle hypothèse peut s'avérer très dangereuse.
Le marché mondial du noir de carbone est aujourd'hui estimé à 15 millions de tonnes par an. Si la totalité de ce noir de carbone était fournie par la pyrolyse du méthane, cela correspondrait à une production d'hydrogène de 6 millions de tonnes par an. Cela équivaut à seulement 8 % du marché mondial de l'hydrogène. Par conséquent, le déploiement de la pyrolyse du méthane à l'échelle mondiale entraînera un effondrement du marché du noir de carbone et le rendra pratiquement sans valeur.
En supposant que la technologie réussisse à s'étendre et que le noir de carbone ne soit pas vendu sur le marché, la décision de construire une installation de pyrolyse du méthane ou une installation d'hydrogène bleu dépendra largement de la manipulation des sous-produits à base de carbone et de son impact sur l'économie de la production d'hydrogène. Pour que la pyrolyse du méthane l'emporte, le coût de la manipulation du carbone solide devra être moins élevé que le coût de la compression, du transport et de la séquestration des émissions de CO2 provenant d'une installation d'hydrogène bleu.
Les personnes intéressées devraient suivre l'évolution de la pyrolyse du méthane tout en sachant que, si elle se taillera une part du marché de l'hydrogène à faible teneur en carbone, il est peu probable qu'elle élimine complètement l'hydrogène bleu du mélange.