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L'ambition affichée par le plan présenté par le Gouvernement le jeudi 3 septembre 2021 est claire : faire de l'écologie le principal levier de la reprise économique de notre pays. De l'écologie et notamment du développement de la production et de l'usage d'un hydrogène renouvelable et bas carbone.
L’hydrogène représente un gros potentiel de diminution de gaz à effet de serre (GES) ainsi qu’une manne économique significative. Les pays européens investissent aujourd’hui de manière conséquente dans ce marché en pleine expansion, à commencer par la France qui en attend 100 000 nouveaux emplois directs publiée par AFHYPAC (l'Association Française pour l'Hydrogène et les Piles à Combustible) et qui a déjà mis en place un certain nombre d’aides (Programme d’investissement d’avenir),.
Qu’est-ce que l’hydrogène ?
Comme l’électricité, le dihydrogène H2 (hydrogène) est principalement un vecteur énergétique et non une énergie en tant que telle, car il est produit au moyen d’une réaction chimique à partir d’une ressource primaire.
Actuellement, pour des raisons économiques, l’hydrogène est issu à 95 % de la transformation d’énergies fossiles, dont pour près de la moitié à partir du gaz naturel.
Où se trouve l’hydrogène ?
Les ressources principales permettant de produire le dihydrogène H2 (que l'on appelle hydrogène par abus de langage) sont l’eau et les hydrocarbures (le charbon, le pétrole ou le gaz).
En effet, chaque molécule d'eau est le fruit de la combinaison entre un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène, suivant la formule H2O.
Les hydrocarbures sont issus de la combinaison d'atomes de carbone et d'hydrogène. C’est par exemple le cas du méthane, constituant principal du gaz naturel dont la formule est CH4, l’une des combinaisons les plus simples pour les hydrocarbures.
L’hydrogène existe aussi à l’état naturel. Les premières sources naturelles d’hydrogène ont été découvertes au fond des mers dans les années 70 et plus récemment à terre. Mais la route est longue avant d’envisager une exploitation rentable. Les connaissances sur l’origine de la formation de cet hydrogène et les recherches sur des techniques de production rentables doivent encore progresser.
Comment produit-on l’hydrogène ?
Différentes techniques de production existent :
- le reformage du gaz naturel à la vapeur d'eau est la technique la plus répandue. Il s’agit de faire réagir du méthane avec de l’eau pour obtenir un mélange contenant de l’hydrogène et du CO2. Le CO2 émis par ce procédé pourrait éventuellement être capté et stocké pour produire un hydrogène décarboné. En lieu et place du gaz naturel, l’utilisation du biométhane (méthane issu de la fermentation de la biomasse) constitue aussi une solution pour produire un hydrogène décarboné ;
- l’hydrogène peut aussi être produit à partir d’eau et d’électricité, c’est l’électrolyse de l'eau. L’électrolyseur sépare une molécule d’eau en hydrogène et en oxygène. Cette voie est encore peu répandue car nettement plus coûteuse (2 à 3 fois plus chère que le reformage du gaz naturel) et réservée aujourd'hui à des usages spécifiques, comme l’électronique, qui requièrent un niveau élevé de pureté ;
- la gazéification permet de produire, par combustion, un mélange de CO et d’H2 à partir de charbon (solution qui émet beaucoup de CO2) ou de biomasse.
Une fois fabriqué, cet hydrogène doit être stocké, puis transporté jusqu’à son lieu de distribution et d’utilisation.
Hydrogène vert, gris, bleu et jaune : de quoi parle-t-on ?
Visualisation des 3 voies de production d’hydrogène (H2) et de leur dénomination par une couleur spécifique.
- L’hydrogène vert (renouvelable) est fabriqué par électrolyse de l’eau à partir d’électricité provenant uniquement d’énergie renouvelable ;
- L’hydrogène gris (fossile) est fabriqué par procédés thermochimiques avec comme matières premières des sources fossiles (charbon ou gaz naturel) ;
- L’hydrogène bleu (bas-carbone) est fabriqué de la même manière que l’hydrogène gris, à la différence que le CO2 émis lors de la fabrication sera capté pour être réutilisé ou stocké ;
- L’hydrogène jaune (bas-carbone), plus spécifique à la France, est fabriqué par électrolyse comme l’hydrogène vert mais l’électricité provient essentiellement de l’énergie nucléaire.
L'agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie ADEME a récemment suggéré de changer la terminologie. L’hydrogène qui était jusqu’ici appelé « vert » est désormais appelé « renouvelable », l’hydrogène « gris » devient « fossile », et enfin, les hydrogènes « bleu » et « jaune » sont regroupés sous l’appellation « bas-carbone ».
La voiture à hydrogène
Voiture à hydrogène
Le moteur à hydrogène
L'utilisation de l'hydrogène dans un moteur à combustion interne peut bénéficier des dernières avancées du moteur thermique et du couplage avec une chaîne de traction hybride. Ainsi, en se basant sur des technologies plus robustes et matures que celles utilisées actuellement pour les piles à combustible, il serait possible d’atteindre un rendement supérieur à 50 %. Ce pourrait être une solution de transition vers la pile à combustible puisqu'elle permet de commencer la validation de toute la filière de production et de distribution de l’hydrogène en utilisant les outils industriels de production existants.
La pile à combustible dans les voitures électriques
Les piles à combustible Hyundai
Pour le long terme, les constructeurs automobiles s’intéressent aussi aux piles à combustible (ou Fuel Cell), comme générateurs d’électricité pour les véhicules électriques. Ceci afin de compléter les solutions de véhicules électriques à batteries, souffrant aujourd’hui de la limitation en autonomie et du temps de recharge de ces batteries. L'hydrogène sert alors à alimenter une pile à combustible — laquelle produit de l'électricité — pour permettre le fonctionnement du moteur électrique qui fait avancer le véhicule. L'hydrogène est un des meilleurs vecteurs d'énergie pour les piles à combustible aujourd’hui en termes de performances énergétiques et d’émissions. Leur rendement est globalement supérieur à 50 % sur une large plage de fonctionnement, ce qui représente un avantage intéressant par rapport à un moteur thermique essence actuel.
Alimentée par un mélange d'air et d'hydrogène, la pile convertit l’énergie chimique de l'hydrogène en énergie électrique suivant le principe inverse de l'électrolyse. En faisant réagir de l'hydrogène avec de l'oxygène de l'air sur les électrodes (de fines membranes recouvertes d'un catalyseur, le platine), les piles à combustible permettent de produire de l'électricité sans autre émission que de la vapeur d'eau.
Le train et l’avion à hydrogène
Alstom va concrètement installer une chaîne de traction à hydrogène sur un modèle éprouvé dans les TER français (appelé Coradia Polyvalent par le constructeur national et Regiolis par la SNCF): longs de 72 mètres, ces trains de quatre voitures offriront 218 places assises "et les mêmes performances dynamiques et de confort que la version bimode électrique-diesel", selon le communiqué. (Crédits : Alstom)
Le plan français en faveur de l'hydrogène compte parmi ses objectifs la mise en service d'un premier train à hydrogène en France en 2022. À la suite de l’Allemagne, la France fait ses premiers pas dans la mobilité ferroviaire à hydrogène, SNCF et les Régions ayant lancé le projet TER H2 qui vise à mettre en place la toute première flotte de trains hydrogène régionaux dans plusieurs régions françaises pilotes.
L’avion à hydrogène ou « avion propre », s’il donne déjà lieu à des projets ambitieux, doit encore répondre à un certain nombre de questions en termes de technologie, d’environnement, et de sécurité.
L’hydrogène pour le stockage d’électricité et son injection dans les réseaux
Le stockage d’énergie sous forme d’hydrogène permet de pallier l’intermittence des énergies renouvelables (éolien et solaire) en optimisant la capacité de production électrique (power-to-power ).
La chaîne hydrogène simplifiée : de la production aux usages
Dans le cadre du développement d’un mix électrique renouvelable, l’électrolyse permet, quand le réseau est excédentaire (c’est-à-dire quand la production d’électricité est supérieure à sa consommation), de stocker de l’hydrogène sur un temps court ou long selon les besoins.
Dans le cas d’un réseau déficitaire au contraire, l’hydrogène disponible peut être réutilisé dans une pile à combustible pour fabriquer de l’électricité.
Le « Power to Gas » consiste à transformer de l’électricité en hydrogène par électrolyse de l’eau afin de la stocker à un moment où elle est excédentaire sur le réseau. (©Connaissance des Énergies d’après European Power to Gas Platform)
L’hydrogène peut être également injecté directement dans les réseaux de gaz (power-to-gaz) :
- par injection directe dans les réseaux gaziers pour combustion ;
- par production de méthane de synthèse (selon le principe de méthanation) : conversion du monoxyde (CO) ou du dioxyde de carbone (CO2) en présence d'hydrogène, qui peut ensuite être transformé en chaleur, électricité ou carburant.
L’hydrogène pour décarboner le secteur industriel
Unité de vaporeformage d'Air Liquide à Port-Jérôme en Normandie, associée à un captage de CO2 par cryogénisation
L’hydrogène peut être utilisé dans le secteur industriel (power-to-industry) :
- d’une part pour alimenter en énergie décarbonée les unités industrielles concernées ;
- d’autre part pour contribuer à la décarbonation des procédés industriels concernés en substitution des énergies fossiles utilisées actuellement : c’est le cas par exemple de la fabrication d’acier qui résulte de la réduction des minerais de fer. Cette réduction opérée aujourd’hui via le charbon pourrait demain l’être en utilisant de l’hydrogène décarboné.
La stratégie française vise, dans un premier temps, à décarboner les usages actuels de l'hydrogène dans l'industrie. Ce secteur consomme, chaque année en France, autour de 900 000 tonnes d'hydrogène. Mais cet hydrogène dit « gris » est produit aujourd'hui essentiellement (à 94 %) à partir de fossiles (gaz naturel, charbon, pétrole). Cette consommation a un impact non négligeable sur le climat : elle représente 3 % des émissions nationales de gaz à effet de serre.
Trois grands secteurs l'utilisent en grande quantité dans leur process : la pétrochimie, et précisément la désulfurisation de carburants pétroliers (60 % de la consommation nationale d'hydrogène), la fabrication d'engrais, et notamment la synthèse d'ammoniac (25 %) et, enfin, certains secteurs de la chimie (10 %) pour la production d'ammoniac et de méthanol notamment. D'autres secteurs l'utilisent de manière plus diffuse : l'agroalimentaire, l'électronique, les industries du verre et des métaux, l'aérospatiale, les laboratoires… Enfin, l'hydrogène pourrait permettre d'électrifier certains usages industriels difficiles à décarboner autrement (réduction du minerai dans la fabrication de l'acier par exemple).
L'hydrogène décarboné, produit par électrolyse de l'eau avec de l'électricité d'origine nucléaire ou renouvelable, pourrait remplacer tout ou partie de cette consommation industrielle. « La moitié des usages industriels sont substituables par de l'hydrogène vert ou décarboné. Aujourd'hui la production d'1 kg d'hydrogène génère 11 kg de CO2. Demain avec l'électrolyse et le mix français, la production d'1 kg d'hydrogène n'émettra que 3 kg de CO2 », estime David Marchal, directeur adjoint productions et énergies durables à l'ADEME.
Résumé
Grâce aux progrès de la technologie qui ont permis d’améliorer les rendements et la fiabilité des procédés, l’hydrogène peut être produit par électrolyse de l’eau, à partir d’électricité décarbonée ou renouvelable. On le dit alors « décarboné » car ni sa production ni son utilisation n’émettent de CO2. L’hydrogène décarboné contribuera à l’atteinte des objectifs que la France s’est fixée en matière de développement des énergies renouvelables, de réduction des émissions de gaz à effet de serre et des polluants et de réduction des consommations d’énergie fossile.
De nouveaux marchés pour un boom de l’hydrogène vert
Aujourd’hui, l’hydrogène est quasi exclusivement utilisé dans l’industrie en particulier l’industrie chimique et le raffinage. Mais en tant que vecteur d’énergie, il peut être valorisé dans de nombreux autres usages :
- Carburant propre : une pile à combustible alimentée par l’hydrogène produit de l’électricité et le processus chimique rejette de l’eau. C’est ainsi que l’hydrogène apporte l’énergie nécessaire aux véhicules équipés d’une pile à combustible et permet une mobilité sans émission de polluants.
- Gaz : l’hydrogène produit pourra à terme, quand cela sera nécessaire, être injecté dans le réseau de gaz soit mélangé au méthane, soit pur dans des réseaux dédiés. Des travaux pour évaluer les impacts sur la sûreté sont en cours.
- Stockage de l’énergie : l’hydrogène peut être produit par électrolyse puis stocké sous forme gazeuse ou forme liquide avant que de contribuer à produire de l’électricité grâce à une pile à combustible ; l’hydrogène peut être utilisé pour faciliter le déploiement des énergies renouvelables en améliorant la stabilité des réseaux énergétiques.
Sources
L’hydrogène et ses avantages
https://www.ecologie.gouv.fr/lhydrogene-et-avantages#:~:text=et%20ses%20usages-,L'hydrog%C3%A8ne%20est%20un%20gaz%20dont%20les%20propri%C3%A9t%C3%A9s%20chimiques%20offrent,%C3%AAtre%20stock%C3%A9%2C%20transport%C3%A9%20et%20utilis%C3%A9.
Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie
https://fr.wikipedia.org/wiki/Agence_de_l%27environnement_et_de_la_ma%C3%AEtrise_de_l%27%C3%A9nergie
Transition énergétique : l'hydrogène « va devenir indispensable »
https://www.futura-sciences.com/planete/actualites/developpement-durable-transition-energetique-hydrogene-va-devenir-indispensable-82833/
La pré-étude « Hydrogen for Europe »
https://www.ifpenergiesnouvelles.fr/article/pre-etude-dediee-lhydrogene-en-europe-disponible
Les piles à combustible Hyundai arrivent en Europe
https://www.h2-mobile.fr/actus/piles-combustible-hyundai-arrivent-europe/
La SNCF passe commande à Alstom des premiers trains à hydrogène français
https://www.latribune.fr/entreprises-finance/services/transport-logistique/premieres-commandes-de-trains-a-hydrogene-au-francais-alstom-881884.html
Transport décarboné (1/3) : l’avion et le train à l’amorce d’une révolution
https://www.deplacementspros.com/dossiers/transport-decarbonne-1-3-lavion-et-le-train-a-laune-dune-revolution
L'Ademe explore le potentiel du « Power to X »
https://www.connaissancedesenergies.org/power-x-une-piste-pour-reduire-les-emissions-de-co2-171010
Quel est le plus grand projet de production d’hydrogène vert en Europe ?
https://www.revolution-energetique.com/quel-est-le-plus-grand-projet-de-production-dhydrogene-vert-en-europe/
