Une usine du Shandong transforme l’eau de mer et la chaleur perdue en eau à bas coût et en hydrogène vert

Un nouveau modèle pour l’eau et l’hydrogène

La Chine a mis en service à Rizhao, ville côtière de la province du Shandong, une installation compacte mais ambitieuse qui transforme l’eau de mer et la chaleur résiduelle de l’industrie en deux ressources stratégiques : de l’eau douce à bas coût et de l’hydrogène vert. Selon les exploitants du site, celui-ci produit de l’eau douce à environ deux yuans le mètre cube, soit quelque 28 cents américains, un tarif inférieur à celui de l’eau du réseau dans de nombreuses villes. L’installation produit aussi de l’hydrogène de haute pureté, tandis que la saumure concentrée est destinée à l’industrie chimique maritime. Elle fonctionne en continu depuis plus de trois semaines, une étape importante pour démontrer la fiabilité de ce nouveau type de système intégré de production d’eau et d’énergie.

Le concept est simple à décrire, mais difficile à mettre en œuvre. Une matière première, l’eau de mer, alimente trois filières de production. Pour 800 tonnes d’eau de mer traitées par an, l’usine produit environ 450 mètres cubes d’eau ultrapure, adaptée au refroidissement industriel ou à un usage domestique, quelque 192 000 mètres cubes standard d’hydrogène vert et environ 350 tonnes de saumure commercialisables auprès de producteurs de produits chimiques. Selon les chiffres communiqués, la production d’hydrogène nécessite environ 4,2 kilowattheures d’électricité par mètre cube standard, ce qui place le procédé dans la gamme des performances des électrolyseurs modernes. Ce qui distingue Rizhao, c’est la manière dont le site réduit le coût de l’eau en récupérant la chaleur à basse température des aciéries et des usines pétrochimiques voisines, une chaleur qui se dissipe normalement dans l’air ou dans l’océan.

Fonctionnement du système de Rizhao

L’usine produit de l’eau douce juste à côté d’industries très énergivores qui génèrent des flux constants de chaleur à basse température. Cette chaleur alimente une étape de séparation qui transforme l’eau de mer en eau très pure à des seuils thermiques relativement bas. Parmi les techniques adaptées figurent la distillation membranaire et l’humidification-déshumidification, qui tirent parti de la chaleur à basse température. Une partie de l’eau douce est distribuée aux utilisateurs, une autre alimente un électrolyseur qui sépare l’eau en hydrogène et en oxygène. La saumure concentrée restante peut servir de matière première pour produire, par exemple, du brome, des sels de magnésium et du sel industriel, ce qui réduit la nécessité de rejeter la saumure concentrée dans l’océan.

Pourquoi la chaleur à basse température compte

L’industrie lourde rejette d’immenses quantités de chaleur à moyenne et basse température. Les aciéries et les raffineries en sont des exemples emblématiques. Récupérer cette chaleur pour produire de l’eau évite de consommer de l’électricité supplémentaire pour le dessalement. Dans les zones industrielles côtières, l’eau de mer et la chaleur résiduelle sont abondantes, tandis que les besoins de refroidissement sont constants. Installer des unités de dessalement et d’électrolyse à proximité de grandes sources de chaleur réduit à la fois les coûts d’exploitation et l’intensité carbone. Cela permet aussi de moins solliciter les réseaux d’eau municipaux, allégeant la pression sur les nappes phréatiques et les cours d’eau locaux.

Ce que signifient les chiffres de consommation énergétique

La consommation énergétique de l’hydrogène est souvent exprimée en kilowattheures par kilogramme. Un mètre cube standard d’hydrogène contient environ un neuvième de kilogramme. À 4,2 kilowattheures par mètre cube standard, on arrive à environ 47 kilowattheures par kilogramme d’hydrogène. Ce chiffre se situe dans la fourchette des électrolyseurs alcalins et à membrane échangeuse de protons modernes. L’innovation de Rizhao ne tient pas à un électrolyseur hors norme, mais à la manière dont l’usine réduit les coûts et l’empreinte hydrique en couplant l’électrolyseur à une filière de traitement de l’eau de mer alimentée par la chaleur résiduelle. L’électricité doit toujours être bas carbone pour que le produit puisse être qualifié d’hydrogène vert, mais la chaleur coûte beaucoup moins cher puisqu’elle serait autrement perdue.

L’hydrogène peut-il être produit directement à partir de la mer ?

L’électrolyse directe de l’eau de mer, qui consiste à faire fonctionner des électrolyseurs à partir d’eau de mer sans étape distincte de dessalement, fait l’objet de recherches actives. Cette option est particulièrement intéressante en mer, où des parcs éoliens et des plateformes pourraient produire de l’hydrogène avant de l’acheminer par gazoduc ou par bateau jusqu’à la côte. La difficulté tient à la chimie. L’eau de mer contient beaucoup de chlorures, de sulfates et de matières organiques. Les cellules classiques tendent à favoriser la réaction de dégagement du chlore à l’anode, ce qui corrode certaines pièces et produit du chlore indésirable. Le sable, le bio-encrassement et l’entartrage réduisent également la durée de vie des équipements. Pour résoudre ces problèmes, des équipes testent de nouveaux catalyseurs résistants à l’attaque des chlorures, des séparateurs poreux qui bloquent les ions à l’origine de réactions secondaires et des dispositifs qui maintiennent le chlore à l’écart de la zone de réaction. Une démonstration flottante au large des côtes chinoises a déjà montré qu’un système à membrane pouvait fonctionner par mer agitée en isolant une couche d’eau propre pour l’électrolyse tout en puisant l’eau directement dans l’océan.

Deux voies, un même objectif

Il existe deux principales façons d’associer l’océan à la production d’hydrogène. La première consiste à dessaler l’eau de mer, puis à utiliser un électrolyseur classique. La seconde consiste à adapter l’électrolyseur pour qu’il fonctionne avec de l’eau de mer ou avec une eau suffisamment nettoyée à la volée. À petite échelle, Rizhao semble suivre la première voie, avec une particularité : au lieu d’utiliser de grandes pompes électriques et l’osmose inverse à haute pression pour traiter l’eau, le site récupère la chaleur de l’usine voisine. Les parcs éoliens offshore et les sites isolés pourraient privilégier la deuxième voie, car l’espace et les possibilités de maintenance y sont limités. Les zones industrielles côtières pourraient préférer la première, car elles disposent de chaleur résiduelle et peuvent utiliser à la fois l’eau et l’hydrogène produits. En laboratoire et dans les installations pilotes, des catalyseurs résistants à la corrosion, de nouvelles membranes et des concepts sans membrane font progresser les deux approches.

Des projets pilotes à l’industrie : coûts et montée en puissance

Un prix de deux yuans le mètre cube pour l’eau douce ne passe pas inaperçu. Ce tarif est inférieur à celui de l’eau du réseau dans de nombreuses villes et inclut un niveau de purification que beaucoup d’industriels devraient autrement assurer eux-mêmes. La baisse du coût de l’eau rend la production d’hydrogène plus intéressante dans les provinces en situation de stress hydrique, car elle nécessite généralement une eau très pure pour protéger les électrolyseurs. La coproduction d’eau et d’hydrogène permet aussi de répartir les dépenses d’investissement entre deux produits, tandis que les recettes tirées des produits chimiques à base de saumure peuvent couvrir une partie des coûts d’exploitation.

Le coût de l’électricité nécessaire à la production d’hydrogène dépend de la source d’énergie. À environ 47 kilowattheures par kilogramme, une électricité facturée entre trois et cinq cents américains le kilowattheure représente une facture énergétique d’environ 1,40 à 2,35 dollars par kilogramme. Les équipements, la maintenance et le financement s’ajoutent à ce montant, et ces coûts varient considérablement. Rizhao est une petite installation, mais elle offre un modèle que les régions côtières chinoises pourraient déployer à plus grande échelle. Le pays possède des corridors industriels denses où la chaleur résiduelle abonde. Des sites comme les bassins sidérurgiques du Shandong, du Hebei et du Jiangsu pourraient donc reprendre le concept avec des équipements plus importants.

L’approvisionnement en électricité s’améliore également. Un corridor à ultra-haute tension relie désormais de grands parcs éoliens et solaires des provinces de l’Ouest aux centres de consommation de l’Est. De nouvelles lignes raccordent les capacités de production mises en service dans le Gansu au réseau qui alimente le Shandong. Un accès régulier à de l’électricité renouvelable permettrait à une future installation de Rizhao d’augmenter le nombre de ses électrolyseurs tout en maintenant une faible empreinte carbone de l’hydrogène lorsque la chaleur résiduelle ne suffit pas à couvrir les besoins.

Pourquoi c’est important pour les régions en situation de stress hydrique

L’hydrogène est gourmand en eau quand celle-ci est rare. La production d’un kilogramme d’hydrogène nécessite généralement environ neuf litres d’eau propre. Selon les analystes, la nouvelle demande d’hydrogène nécessitera des milliards de mètres cubes d’eau douce au cours de la prochaine décennie. Si cette forte hausse concerne des régions arides, elle mettra les ressources sous pression, à moins que l’eau de mer et les eaux usées ne prennent le relais. Les recherches montrent que le couplage du dessalement et de l’électrolyse, ainsi que la récupération de la chaleur résiduelle des piles à combustible et des électrolyseurs, peuvent réduire de quelques pour cent la facture énergétique totale. En déplaçant la source d’eau vers le littoral et en valorisant une chaleur qui serait autrement rejetée, on préserve l’eau des terres pour les villes et l’agriculture tout en réduisant à la marge les besoins énergétiques.

La conception environnementale reste importante. La saumure peut nuire aux écosystèmes marins si elle est rejetée sans précaution. Le modèle de Rizhao réduit ce risque en vendant la saumure à des producteurs de produits chimiques, ce qui limite les rejets en mer. Le captage de l’eau de mer doit lui aussi être conçu avec soin pour éviter de nuire à la vie marine. Il est préférable de pomper l’eau à faible vitesse à travers des grilles fines et de placer les prises d’eau dans des zones peu fréquentées par les poissons et les larves. Ces précautions ne sont pas secondaires : elles sont essentielles pour obtenir les autorisations et le soutien des populations locales, à mesure que davantage de zones industrielles côtières cherchent à associer dessalement et électrolyse.

La Chine bâtit un écosystème autour des technologies de l’hydrogène

Derrière des projets comme celui de Rizhao se développent une base industrielle et un réseau de partenaires. À Tianjin, une importante usine d’électrolyseurs, désormais entièrement contrôlée par une entreprise européenne, fournit chaque année des centaines de mégawatts de modules alcalins. Le site a modernisé ses systèmes d’automatisation et de contrôle qualité et a déjà fourni des équipements à certains des plus grands projets d’hydrogène en activité. Ce contrôle intégral permet d’ajuster plus rapidement la conception, d’améliorer la logistique et de renforcer l’assurance qualité pour les commandes internationales.

Jarle Dragvik, directeur général de HydrogenPro, a présenté cette évolution comme un moyen d’adapter les capacités à la demande de projets de très grande envergure.

Il s’agit de rationaliser les opérations et de mettre en place une structure compétitive en termes de coûts, prête à répondre aux besoins de projets de grande envergure.

Les acteurs étrangers et chinois renforcent leurs liens dans les domaines du dessalement, des énergies renouvelables et de l’hydrogène en Chine. Un acteur mondial de l’eau et de l’énergie a ouvert à Shanghai un centre d’innovation consacré au photovoltaïque, à l’éolien, au stockage de l’énergie, à l’hydrogène vert et au dessalement de l’eau de mer, en collaboration avec des universités et des laboratoires. Les entreprises chinoises exportent également leur savoir-faire. L’une d’elles construit en Égypte un projet d’hydrogène vert adossé à l’éolien et au solaire, destiné à l’exportation d’ammoniac. Une autre s’associe à un partenaire en Arabie saoudite pour concevoir une immense usine de production d’hydrogène et d’ammoniac. Ces initiatives témoignent de l’émergence d’une chaîne d’approvisionnement capable de fournir équipements, services et savoir-faire opérationnel pour des projets en Chine comme à l’étranger.

Quelles pourraient être les prochaines étapes ?

Pour Rizhao et les installations similaires, le prochain défi est celui de la durée. Les ingénieurs surveilleront l’encrassement des membranes alimentées par la chaleur, l’entartrage des conduites et la stabilité des électrolyseurs, qui démarrent et s’arrêtent en fonction de la disponibilité de la chaleur résiduelle. Un fonctionnement prolongé permettra de mieux cerner les besoins réels de maintenance et les plages de fonctionnement optimales. Sur le plan commercial, l’intégration de trois filières de production, l’eau, l’hydrogène et les produits chimiques issus de la saumure, peut amortir les fluctuations de revenus et améliorer la bancabilité du projet.

Les choix entre les deux voies techniques vont également s’affiner. L’électrolyse directe de l’eau de mer pourrait trouver sa place en mer, avec l’énergie éolienne et houlomotrice, où la simplicité et la compacité des équipements sont privilégiées. Le dessalement suivi de l’électrolyse pourrait s’imposer là où la chaleur à basse température abonde et où la demande en eau de process très pure est régulière. L’objectif reste le même : produire de l’hydrogène vert à un coût compétitif sans puiser dans des ressources limitées en eau douce. Le projet pilote de Rizhao illustre une manière concrète d’y parvenir tout en valorisant une chaleur que l’industrie rejette actuellement.

Points clés

• Une usine côtière de Rizhao, dans le Shandong, produit de l’eau douce et de l’hydrogène vert à partir d’eau de mer grâce à la chaleur résiduelle de l’industrie.
• Le prix de l’eau annoncé est d’environ deux yuans le mètre cube, et la consommation énergétique de l’hydrogène d’environ 4,2 kilowattheures par mètre cube standard.
• Pour 800 tonnes d’eau de mer, la production annuelle comprend 450 mètres cubes d’eau ultrapure, 192 000 mètres cubes standard d’hydrogène et 350 tonnes de saumure destinées à l’industrie chimique maritime.
• Le recours à la chaleur à basse température pour le dessalement réduit les besoins en électricité et allège la pression sur les réseaux d’eau municipaux.
• L’électrolyse directe de l’eau de mer progresse, mais des défis liés aux matériaux subsistent ; de nombreux projets privilégient donc encore le dessalement suivi de l’électrolyse.
• Le réseau chinois à ultra-haute tension achemine vers le Shandong de nouvelles capacités éoliennes et solaires, ce qui favorise le déploiement d’un plus grand nombre d’électrolyseurs.
• Les capacités de production de Tianjin et les nouveaux pôles d’innovation de Shanghai témoignent de l’essor d’un écosystème de l’hydrogène et du dessalement.
• Les projets d’exportation en Égypte et en Arabie saoudite illustrent la portée mondiale du savoir-faire chinois dans l’hydrogène et le dessalement.
• Une conception soignée des prises d’eau et une bonne gestion de la saumure sont indispensables pour protéger la vie marine à mesure que les projets côtiers prennent de l’ampleur.