L’HYDROGÈNE : UN MARCHÉ À FORT POTENTIEL
L’hydrogène a un énorme potentiel de réduction des gaz à effet de serre (GES), et offre également des avantages économiques importants. Les pays européens investissent massivement dans ce marché. La France est le premier pays à investir. Selon l’AFHYPAC, la France prévoit 100 000 emplois directs. Elle a également mis en place un certain nombre d’aides (Programme d’investissement d’avenir et soutien à la recherche via l’ANR, soutien aux PME via la BPI, soutien au déploiement de la mobilité hydrogène via l’Ademe…). Le Conseil national de l’hydrogène est une institution.
LA CHAÎNE DE VALEUR DE L’HYDROGÈNE
Qu’est-ce que l’hydrogène ?
H2 (hydrogène), est avant tout un vecteur énergétique et non une source d’énergie , puisqu’il est créé par des réactions chimiques à partir d’une ressource primaire.
95 % de l’ hydrogène est actuellement produit à partir de la conversion de combustibles fossiles. Près de la moitié de cet hydrogène est produit à partir du gaz naturel.
Où peut-on trouver de l’hydrogène ?
Les principales ressources permettant de produire de l’hydrogène (également appelé hydrogène par abus de langage) sont l’eau et les hydrocarbures, qui peuvent être utilisés pour fabriquer du pétrole, du gaz ou du charbon.
- Selon la formule H2O, chaque molécule d’eau est le résultat de la combinaison d’un atome d’oxygène avec deux atomes d’hydrogène.
- Les hydrocarbures se forment lorsque des atomes de carbone et d’hydrogène se combinent. C’est le cas du méthane, qui est le principal composant du gaz naturel. Sa formule est CH4, qui est l’une des combinaisons les plus élémentaires d’hydrocarbures.
L ‘hydrogène est également disponible à l’état naturel. Dans les années 1970, l’hydrogène a d’abord été découvert au fond des mers, puis sur terre. Cependant, il reste encore beaucoup à faire avant de pouvoir envisager une exploitation rentable. La recherche de techniques de production rentables et la connaissance des origines de la formation de l’hydrogène doivent continuer à progresser.
Comment fabrique-t-on l’hydrogène ?
Différentes techniques de production existent :
- Le reformage à la vapeur des gaz naturels est la technique la plus courante. Elle consiste à faire réagir du méthane et de l’eau pour créer un mélange contenant de l’hydrogène et du CO2. Ce procédé pourrait à terme capter et stocker le CO2 émis pour en faire de l’hydrogène décarboné. Le biométhane, qui est le méthane issu de la fermentation de la biomasse, peut être utilisé pour produire de l’hydrogène décarboné.
- L’hydrogène peut également provenir de l’eau et de l’électricité. C’est ce qu’on appelle l’électrolyse de l’eau. L’électrolyseur est un appareil qui sépare les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène. Cette méthode n’est pas très utilisée car elle est plus coûteuse que le reformage du gaz naturel. Elle est également réservée à certains usages comme l’électronique qui nécessite une grande pureté.
- La gazéification est le processus qui consiste à produire un mélange de CO (et de H2) à partir de charbon (une solution qui émet de grandes quantités de CO2_) ou de biomasse.
De quoi parle-t-on ?
– La production d’hydrogène vert se fait par électrolyse en utilisant de l’électricité provenant uniquement d’énergies renouvelables.
– L’hydrogène gris est fabriqué à l’aide de procédés thermochimiques qui utilisent des combustibles fossiles (charbon et gaz naturel) comme matières premières.
– L’hydrogène bleu est fabriqué de la même manière que l’hydrogène gris, mais le CO2 qui est émis lors de la fabrication est capté pour être réutilisé et stocké.
– L’hydrogène jaune est fabriqué en France par électrolyse, mais l’électricité provient essentiellement de l’énergie nucléaire.
Récemment, l’Ademe a proposé de changer la terminologie. L’hydrogène autrefois appelé “vert” a été rebaptisé “renouvelable”, l'”hydrogène gris” devient “fossile”, tandis que les hydrogènes “bleus” et “jaunes” sont désormais regroupés sous l’appellation “bas carbone”.
Une fois produit, l’hydrogène doit être stocké puis transporté vers le lieu de distribution .
Comment l’hydrogène est-il stocké ?
Le dihydrogène a une densité massique élevée (1kg d’hydrogène contient environ 3kg de pétrole), mais a un volume très faible. Il faut le transformer pour pouvoir le stocker dans un volume utile.
En le comprimant à 700 bars, 7 litres peuvent contenir autant de carburant qu’un litre d’essence.
En le liquéfiant pour le réduire davantage à -253degC, 4 litres d’hydrogène liquide seront équivalents à 1 litre d’essence.
Bien que l’hydrogène puisse fonctionner à des pressions inférieures, sa densification nécessite plus d’énergie et est donc plus coûteuse.
Il existe de nombreuses options de stockage, notamment les batteries et le stockage massif dans des cavités salines, en fonction de vos besoins.
Comment l’hydrogène est-il transporté ?
L’hydrogène est transporté sous pression par un vaste réseau de pipelines d’une longueur totale de plus de 4 500 km, dont 1 600 km en Europe et 2 500 km en Amérique.
Le Japon et d’autres pays envisagent d’importer de l’hydrogène. Celui-ci serait alors expédié depuis l’Australie, par exemple.
Comment l’hydrogène est-il utilisé aujourd’hui ?
L’hydrogène a actuellement deux utilisations principales : il est utilisé comme matière première pour produire de l’ammoniac (engrais) et du méthanol. Il sert également de réactif au cours du processus de raffinage du pétrole brut en produits pétroliers, carburants et biocarburants.
Cependant, l’hydrogène a de nombreux usages potentiels et est prometteur pour décarboner un certain nombre de secteurs et soutenir la transition énergétique.
Il y a déjà pensé
“Oui, mes chers amis, je crois que l’eau sera un jour utilisée comme carburant. Cet hydrogène et cet oxygène qui la composent, employés ensemble ou simultanément, fourniront une chaleur et une lumière d’une source inépuisable et d’une intensité que le charbon ne peut avoir “, écrivait Jules Verne, dans son roman L’île mystérieuse, 1874.
L’HYDROGÈNE DANS LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
Il existe deux façons de récupérer l’énergie des énergies renouvelables stockées ou du dihydrogène à faible teneur en carbone.
- Soit sous forme de chaleur via ou sa combustion directe avec de l’oxygène.
- Soit sous forme d’électricité via une pile à combustible (PAC).
Les deux réactions ne produisent que de l’eau, et l’énergie peut être utilisée de différentes manières. Trois objectifs essentiels ont été fixés pour l’hydrogène afin d’assurer une transition énergétique réussie.
L’hydrogène pour décarboner les transports
Le secteur des transports en France est responsable de 27 % des émissions mondiales de GES. Cela en fait le premier émetteur du pays. Parce que les solutions hydrogène peuvent s’appliquer à la mobilité propre par le biais des piles à combustible ou de la combustion directe, l’enjeu est de taille.
Transport par hydrogène : quelques chiffres
Un véhicule diesel produit entre 40 et 45 tonnes de CO2 au cours de sa vie. Un véhicule à hydrogène produit par reformage en produit un peu plus de 35 tonnes et une voiture à hydrogène produite par électrolyse renouvelable en produit moins de 15 tonnes.
Les voitures à hydrogène ont un impact sur le CO2 inférieur de 74 % à celui des véhicules thermiques traditionnels.
La voiture à hydrogène
Le moteur à hydrogène
Les propriétés chimiques et physiques de l’hydrogène en font un excellent candidat comme carburant pour un moteur à allumage commandé de type essence. Le bilan environnemental est le principal avantage : l’hydrogène, combiné à l’oxygène , produit de l’eau et de la chaleur. Il n’émet pas d’oxydes d’azote (NOx) et ne produit pas de chaleur. Cette solution nécessite quelques modifications pour garantir un rendement élevé et de faibles émissions de NOx. Il est important de tirer parti de diverses propriétés de l’hydrogène, comme sa capacité à brûler rapidement dans un mélange très pauvre.
Les derniers développements du moteur thermique, et le couplage avec un moteur hybride peuvent favoriser l’utilisation de l’hydrogène dans un moteur à combustion interne. Il serait possible d’atteindre un rendement supérieur à celui de la technologie actuelle des piles à combustible. Il pourrait s’agir d’une solution de transition vers la pile à combustible. Elle permettrait de valider l’ensemble du processus de production et de la chaîne de distribution de l’hydrogène en utilisant les équipements de production industrielle existants.
Les piles à combustible dans les voitures électriques
À long terme, les constructeurs automobiles s’intéressent également aux piles à combustible comme générateurs d’électricité. Cela s’ajoute aux solutions pour les voitures électriques à batterie, dont l’autonomie est limitée et le temps de recharge trop long. L’hydrogène est alors utilisé pour alimenter la pile à combustible, qui produit de l’électricité, pour permettre le fonctionnement d’un moteur électrique. L’hydrogène est un excellent vecteur énergétique pour les piles à combustible, tant en termes de performances que d’émissions. Elles sont plus efficaces qu’un moteur à essence sur une plage de fonctionnement plus large. C’est un avantage intéressant.
La pile à combustible est alimentée par un mélange d’hydrogène et d’air. Elle convertit l’énergie chimique de l’hydrogène en énergie électrique par électrolyse inverse. Les piles à combustible produisent de l’électricité en faisant réagir l’hydrogène avec l’oxygène de l’air (fines membranes recouvertes d’un catalyseur, le platine) sans autre émission que de la vapeur d’eau. Ce principe existe depuis 1839 ! Il est utilisé depuis de nombreuses années pour produire de l’électricité à bord des fusées.
Avions et trains à hydrogène
L’introduction en France du premier train à hydrogène d’ici 2022 est l’un des objectifs du plan hydrogène français. La France suit l’Allemagne dans le lancement de la mobilité ferroviaire à hydrogène. La SNCF et les Régions lancent le projet TERH2. Ce projet vise à introduire la première flotte de trains à hydrogène dans les régions pilotes françaises.
L’avion à hydrogène ou “avion propre”, a déjà donné lieu à des projets ambitieux mais doit encore répondre à de nombreuses questions d’ordre technologique, sécuritaire et environnemental.
L’hydrogène est utilisé pour stocker l’électricité et l’injecter dans les réseaux
Le stockage de l’énergie hydrogène permet de compenser le caractère intermittent des énergies renouvelables (éolien et solaire). Cela se fait en optimisant la production électrique.
Dans le cadre du développement d’un mix électrique renouvelable l’électrolyse est autorisée lorsque le réseau est excédentaire (c’est-à-dire Lorsque la production d’électricité est supérieure à la consommation, l’électrolyse permet de stocker l’hydrogène pour une durée plus ou moins longue selon les besoins.
En revanche, si le réseau est déficitaire, l’hydrogène disponible peut être utilisé dans une pile à combustible pour produire de l’électricité.
Il est également possible d’injecter l’hydrogène directement dans les réseaux de gaz.
- Injection directe dans les réseaux de gaz pour la combustion
- la synthèse du méthane de synthèse selon le principe de la méthanation : La conversion du monoxyde de carbone ou du dioxyde de carbone ( CO2) en présence d’hydrogène. Ce dernier peut ensuite être transformé en chaleur, en électricité ou en carburant.
L’hydrogène est utilisé pour décarboniser le secteur industriel
L’hydrogène peut être utilisé à des fins industrielles
- D’une part, pour fournir de l’électricité décarbonée aux unités industrielles concernées ;
- D’autre part, pour contribuer à la décarbonisation des procédés industriels en remplaçant les combustibles fossiles utilisés actuellement. C’est le cas par exemple de la fabrication de l’acier qui résulte de la réduction du minerai de fer. Cette réduction, qui se fait actuellement à l’aide de charbon, pourrait être réalisée demain en utilisant des hydrocarbures décarbonés.
Le déploiement de l’hydrogène renouvelable est annoncé. Des projets à grande échelle, comme NortH2, la plus grande installation de production d’hydrogène vert d’Europe, voient le jour. L’objectif est de produire de l’hydrogène à partir d’électricité renouvelable issue de l’énergie éolienne offshore, près de la côte des Pays-Bas.
QUEL EST L’AVENIR DE L’HYDROGÈNE ?
Le déploiement de l’hydrogène décarboné devrait être achevé d’ici la fin de cette décennie. Son développement complet est prévu pour la prochaine décennie. Il nécessite la levée d’un certain nombre d ‘obstacles.
Réduction des coûts
L’hydrogène vert est coûteux et ne peut être déployé si les coûts de l’ensemble de la chaîne de valeur ne sont pas réduits. Il s’agit notamment du coût de production de l’énergie solaire, éolienne et des électrolyseurs, ainsi que du coût des piles à combustible.
Quel est le coût de l’hydrogène décarboné ?
L’hydrogène issu de l’électrolyse est actuellement 2 à 3 fois plus coûteux que le reformage à la vapeur, et 2 fois plus coûteux que le reformage au CO2. Cette voie est réservée à l’électronique, qui nécessite un niveau de pureté élevé.
La complexité de la chaîne de valeur et les diverses transformations peuvent également entraîner des cascades de rendement, ce qui peut provoquer des pertes d’énergie, lesquelles peuvent avoir un effet sur l’augmentation des coûts de production.
Un coût relativement élevé du CO2 réduirait également l’écart de coût pour le reformage du gaz naturel. Cependant, toute augmentation de la taxe carbone devrait être progressive et accompagnée de politiques publiques de soutien aux populations les plus vulnérables.
Construction de l’infrastructure
La mise en œuvre de l’hydrogène électrolytique nécessite une infrastructure complexe qui comprend des capacités de production alimentées par des énergies renouvelables (parcs éoliens ou solaires) et un réseau de transport et de distribution reliant ces capacités de production aux lieux d’utilisation. A cela s’ajoute une variété de capacités de stockage également connectées au réseau. Le tout devra être géré par un système intelligent qui optimise l’offre et la demande dans des phases temporelles quotidiennes et temporaires.
Il est également important de mutualiser la construction des infrastructures de transport, de stockage et de captage du CO2. Les premiers éléments de ces infrastructures en Europe seront opérationnels au milieu de la décennie.
Le déploiement des infrastructures de transport et de distribution nécessite des investissements importants et une longue période de mise en œuvre.
À RETENIR
L ‘hydrogène bas carbone et l’hydrogène renouvelable sont des marchés à fort potentiel en France, que la France est en train de positionner par une stratégie nationale forte ainsi que par des investissements importants.
L’hydrogène est un transport d’énergie qui nécessite une chaîne de valeur complexe. Il est généralement fabriqué à partir d’eau ou d’hydrocarbures. Il peut être stocké et transporté avant d’être utilisé comme énergie par une pile à combustible, ou directement brûlé.
La France poursuit la transition énergétique en augmentant l’utilisation d’hydrogène renouvelable et à faible teneur en carbone pour le transport, en compensant l’intermittence des énergies renouvelables par le stockage électrique et en décarbonant le secteur industriel.
Le déploiement de la technologie de l’hydrogène dépend fortement de la réduction de ses coûts et de la construction d’infrastructures.