L’hydrogène, un fort potentiel qui tarde à se concrétiser

L’hydrogène, un fort potentiel qui tarde à se concrétiser

Tous les dix ans, l’hydrogène est présenté comme le carburant du futur. Pour autant, il n’arrive jamais à dépasser le cap des intentions. Son coût de production baisse lentement et les problèmes de stockage et de transport sont importants. Les caractéristiques de l’hydrogène l’ont prédisposé jusqu’à maintenant à des usages de niche, la fabrication d’ammoniac pour les engrais et les explosifs, le carburant pour les moteurs des fusées. Son utilisation plus large comme carburant suppose un changement de dimension et la création d’une véritable filière.

Devenir le leader de l’hydrogène vert

Lors de la présentation de son plan « France 2030 », le Président de la République, Emmanuel Macron, a souligné que le développement de la filière « hydrogène » constituait un enjeu majeur. Il a affirmé que le pays devait « devenir le leader de l’hydrogène vert en 2030 ». Il considère que la France « doit pouvoir compter sur son sol au moins deux gigafactory d’électrolyseurs » et qu’elle « produira massivement de l’hydrogène et l’ensemble des technologies utiles à son utilisation ».

Depuis plus de deux siècles, l’hydrogène apparait, de manière épisodique, comme un espoir d’énergie propre. Les premiers pas de cette source énergétique sont liés à la découverte de l’électrolyse de l’eau, permettant la séparation de l’oxygène et de l’hydrogène, en 1800, par William Nicholson et Sir Anthony Carlisle. Le principe de la pile à combustible utilisant de l’hydrogène est découvert, en 1839, par le chimiste suisse Christian Friedrich Schönbein. En 1845, William Robert Grove réalise la première pile à combustible. En 1874, Jules Verne écrit dans son roman « L’Île mystérieuse » que « l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir ». Avec le dépôt du brevet sur l’ammoniac par Fritz Haber, l’hydrogène est utilisé pour la fabrication d’engrais. Le procédé Haber est amélioré par Georges Claude qui fonde la société Air Liquide.

L’hydrogène devient par ailleurs une matière première pour la fabrication d’explosifs. À défaut de pouvoir accéder au pétrole du Moyen Orient, l’Allemagne nazie s’engage dans un programme de production d’hydrogène à partir de charbon. En 1959, Francis Thomas Bacon, de l’université de Cambridge, construit le premier prototype de pile à combustible qui servira de modèle à celles utilisées lors des missions spatiales Apollo. Après le premier choc pétrolier, des projets de substitution de l’hydrogène au pétrole sont engagés sans pour autant aboutir à des résultats tangibles.

En 1990, la première centrale de production d’hydrogène à partir d’énergie solaire est mise en service en Bavière. En 2002, Jeremy Rifkin publie un livre intitulé « L’économie hydrogène : après la fin du pétrole, la nouvelle révolution économique » et l’évoque à nouveau dans son livre de 2011 sur « La troisième révolution industrielle».

95% de l’hydrogène est extrait des combustibles fossiles

Pour être une source de décarbonation, l’hydrogène doit être issu des énergies renouvelables ou du nucléaire. En 2019, plus de 95 % de l’hydrogène consommé dans le monde est extrait des combustibles fossiles, principalement du gaz naturel, sous l’action de la vapeur d’eau surchauffée. La production mondiale d’hydrogène est responsable de l’émission d’environ un milliard de tonnes de CO2 chaque année soit l’équivalent des émissions de l’Indonésie et du Royaume-Uni.

L’hydrogène produit à partir des énergies fossiles avec une forte émission de gaz à effet de serre est qualifié de gris. En cas de captation du CO2, l’hydrogène ainsi décarboné est alors qualifié de bleu. L’hydrogène vert est, de son côté, produit par électrolyse de l’eau grâce à de l’électricité issue d’énergies renouvelables. S’il est produit par une proportion importante d’électricité d’origine nucléaire (comme en France), il se verra plutôt attribuer la couleur jaune. Au mois de juin 2021, la Commission de Bruxelles a décidé d’abandonner ce code couleur. L’hydrogène sera désormais soit «propre» – exclusivement produit à partir de renouvelables – soit « bas carbone », une notion que la Commission définit comme produit à partir d’électricité majoritairement nucléaire (l’hydrogène anciennement jaune) ou de combustibles fossiles avec captage et stockage du carbone (l’hydrogène bleu).

Les différents types d’hydrogènes par chem.4.us, lauréat de la vulgarisation scientifique 2021.

La nécessaire réduction des coûts de production

En 2021, la production d’hydrogène est une activité marginale à l’échelle mondiale. 90 millions de tonnes sont produites chaque année, générant des revenus de 150 milliards de dollars, ce qui correspond à la taille d’une compagnie pétrolière comme ExxonMobil. Le processus utilise 6 % du gaz naturel mondial et 2 % du charbon. Cette industrie émet plus de 800 millions de tonnes de dioxyde de carbone. Les premiers usages de l’hydrogène ne sont pas énergétiques mais industriels. Il est utilisé pour traiter le pétrole dans les raffineries et pour produire du méthanol, nécessaire pour la fabrication des plastiques. L’hydrogène est indispensable pour la production de l’ammoniac industriel qui est le principal ingrédient des engrais artificiels.

La production de l’hydrogène est aujourd’hui coûteuse et sale. Son utilisation comme carburant impose un changement de dimension et de modèle. L’hydrogène a un potentiel énergétique élevé. La combustion d’un kilo fournit 2,6 à 3 fois plus d’énergie que celle d’un kilo de gaz naturel. Quand il est brûlé dans l’air, il n’émet pas de sulfates ou de monoxyde de carbone. Utilisé dans une pile à combustible, sa combustion ne produit que de l’eau. Fabriqué par électrolyse, ou à partir du charbon, le prix de l’hydrogène est relativement insensible aux aléas géopolitiques à la différence du pétrole ou du gaz naturel. En revanche, son stockage est délicat et coûteux. Peu dense, il a tendance à s’évaporer facilement. Sa liquéfaction est la solution usuelle pour contourner ce problème, ce qui nécessite de le refroidir fortement.

L’hydrogène produit à partir de renouvelable encore cinq fois plus cher

Selon Morgan Stanley, le marché de ce nouveau carburant devrait être multiplié par plus de cinq pour atteindre plus de 500 millions de tonnes d’ici 2050. Afin d’atteindre cet objectif, le recours à plusieurs techniques sont envisagés. L’hydrogène qui resterait produit avec des énergies fossiles devrait s’accompagner d’un stockage du dioxyde de carbone émis. L’autre voie est la fabrication d’hydrogène grâce à l’électricité produite à partir d’énergies renouvelables. Pour rendre cette technologie rentable, un renchérissement de la tonne de carbone serait nécessaire afin d’inciter les entreprises à passer à l’hydrogène vert. En 2021, l’hydrogène gris fabriqué à partir du gaz naturel coûte environ 1 dollar le kilogramme. L’hydrogène vert à partie d’énergie renouvelable coûte plus de 5 dollars le kilogramme. Le département américain de l’Énergie développe un projet « Hydrogen Shot » qui vise à réduire le coût de l’hydrogène vert, d’environ quatre cinquièmes à 1 dollar le kilogramme d’ici 2030. Pour cela, le prix de l’électricité renouvelable doit fortement diminuer tout comme les électrolyseurs.

Réduire les coûts de 75%

Les capacités de production des électrolyseurs à l’échelle mondiale sont d’environ trois gigawatts, soit l’équivalent de trois centrales nucléaires. Selon McKinsey, cette capacité devrait atteindre plus de 100 gw d’ici 2030. Ce changement de dimension pourrait entraîner une réduction des coûts de 65 à 75 %. L’objectif serait à terme la fabrication d’un kilogramme d’hydrogène vert pour deux dollars.

Du stockage des énergies renouvelables au carburant des moyens de transports

Compte tenu des conditions climatiques, les énergies renouvelables produisent des quantités d’électricité supérieures à la demande. Cette électricité peut être retirée des réseaux, récupérée à travers des batteries ou transformée en hydrogène. Cette affectation des excès de production électrique n’est pas, en l’état, rentable. Un projet, dans l’Utah aux États-Unis, de Mitsubishi, prévoit la fabrication de l’hydrogène à partir d’énergies renouvelables locales avec un stockage dans des mines de sel. En fonction des besoins, l’hydrogène sera utilisé pour produire de l’électricité destinée à alimenter la ville de Los Angeles. Des entreprises dont notamment la SNAM, une société italienne qui exploite l’un des plus grands réseaux d’oléoducs au monde, travaille sur un projet d’alimentation de l’Allemagne en hydrogène vert produit par des centrales solaires en Tunisie. L’Australie et le Chili espèrent exporter par bateau de l’hydrogène produit à partir de sources d’énergies renouvelables.

Schéma du Syndicat Départemental d’énergie d’Ille-et-Vilaine (SDE35), sur les différentes applications des surplus d’hydrogène dans la mobilité.

L’hydrogène vert permettrait de réduire les émissions des gaz à effet de serre de plusieurs secteurs industriels. Pour la sidérurgie qui est responsable de 8 % des émissions, l’hydrogène pourrait être une source de chaleur et remplacer le carbone pour la production de l’acier. ArcelorMittal a récemment engagé un programme de 10 milliards de dollars pour réduire les émissions de gaz à effet de serre en utilisant l’hydrogène. US Steel a formé un partenariat avec la société norvégienne Equinor, un producteur d’hydrogène. Hybrit, un groupe suédois, a livré le premier lot d’acier vert au mois d’août 2021. Pour l’aviation, de nombreuses recherches sont menées. ZeroAvia, une startup soutenue par British Airways et Jeff Bezos, a, en 2020, effectué le premier vol à pile à combustible dans un avion de taille commerciale en Grande-Bretagne. Airbus a confirmé, au mois de septembre, un projet de motorisation des avions à l’hydrogène d’ici 2035. Selon le PDG de ce groupe, Guillaume Faury, « l’hydrogène a une densité énergétique trois fois supérieure à celle du kérosène, il est fait pour l’aviation ». La limite à l’utilisation de l’hydrogène est liée à sa faible densité. À température et pression ambiantes équivalentes, l’hydrogène est le gaz le moins dense. Si un kilogramme d’hydrogène a un potentiel énergétique trois fois supérieur au kérosène, il occupe 3 000 fois plus de place. Pour réduire cet inconvénient, le gaz doit être liquéfié à -253°C. Face à cette problématique, Boeing a décidé de ne pas emboiter le pas à Airbus. Les ingénieurs de l’entreprise américaine estiment que faire voler un 747 à travers l’Atlantique en utilisant de l’hydrogène liquide nécessiterait de remplir tout son espace passagers et cargo avec du carburant.

L’industrie investit

Pour contourner ce problème, certains penchent pour le recours à l’ammoniac fabriqué à base d’hydrogène propre ou à des hydrocarbures synthétiques. Au niveau du chauffage des logements et des bureaux, en termes d’efficacité, les pompes à chaleur électriques sont plus performantes que les chaudières domestiques alimentées à l’hydrogène. Néanmoins, pour une production de masse de chaleur, il peut s’avérer plus rentable de brûler de l’hydrogène dans des chaudières que d’installer un grand nombre de pompes à chaleur qui, en outre, coûtent cher en entretien.

En août dernier, le gouvernement britannique a rendu public un plan de production d’hydrogène portant sur 5 gigawatts d’ici 2030 pour remplacer le gaz naturel dans les applications domestiques et industrielles.

La décarbonation des transports terrestres passe pour le moment essentiellement par le recours au moteur électrique alimenté par des batteries coûteuses et polluantes. L’autonomie et le temps de recharge constituent, actuellement, les principaux handicaps des voitures électriques. L’utilisation de l’hydrogène permettrait de s’en affranchir sous réserve de disposer de réseaux de stations et de réduire le coût des piles à combustible. Toyota a investi dans cette technologie dès le début des années 1990. BMW, Mercedes ou Renault ont également des programmes de recherche sur ce mode de motorisation. Si les résultats en termes d’efficacité par rapport aux moteurs alimentés par des batteries sont décevants pour les véhicules particuliers, ils sont plus encourageants pour les camions qui doivent parcourir de longues distances.

Le Coradia iLintTrain, premier train à hydrogène d’Alstom. Crédit photo : Samuel Dhote)

Alstom exploite des trains à hydrogène en Allemagne. L’entreprise pense que bon nombre des 5 000 trains diesel qui seront retirés en Europe d’ici 2035 pourraient être remplacés par des trains à hydrogène. D’ici 2030, les trains à hydrogène pourraient représenter un dixième de ceux qui ne sont pas encore électrifiés. Selon le Boston Consulting Group (BCG), l’hydrogène pourrait être compétitif en termes de prix par rapport aux autres sources d’énergie pour les trains d’ici 2030, même sans tarification du carbone. Les opérateurs de ferries en Norvège et sur la côte ouest des États-Unis expérimentent actuellement des ferries court-courriers alimentés par des piles à combustible à hydrogène.

L’hydrogène est également exploité dans les charriots élévateurs qui sont utilisés, en particulier, dans les entrepôts de stockage, en permanence. L’absence d’émissions polluantes et la rapidité des ravitaillements constituent des atouts par rapport aux autres sources d’énergie. En France, des collectivités locales (Territoire de Belfort) s’engagent en faveur de l’hydrogène avec un objectif de maintenir ou de développer des pôles industriels tout en décarbonant la production.

Une compétition s’engage entre les batteries électriques et l’hydrogène pour s’imposer comme moyen de stockage de l’énergie électrique décarbonée. Pour le moment, les batteries ont pris une longueur d’avance. Si des progrès sont réalisés rapidement en termes d’autonomie et de rapidité de charge, elles pourraient supplanter l’hydrogène qui conserverait son image d’éternel perdant. Ce dernier est handicapé par sa faible densité et par son caractère explosif. L’issu de ce match n’est pas certain. Au début du vingtième siècle, les moteurs électriques avec batteries avaient cru l’emporter sur les moteurs thermiques avant d’être abandonnés. Leur retour en force prouve que des solutions anciennes peuvent avoir une seconde jeunesse.

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