Perçu comme une solution énergétique pertinente capable de décarboner tout une industrie, l’hydrogène est aujourd’hui assimilé à un remède miracle industriel et climatique. Diverses technologies permettent de l’obtenir. Des transports aux industries lourdes en passant par le bâtiment, son utilité est variée et reconnue. Le plan de développement d’une énergie hydrogène décarbonée proposé par l’État prévoit 7 milliards d’euros de financement d’ici 2030 pour cette filière en plein essor. La France annonce ainsi clairement son objectif de leadership dans le domaine.
Pourquoi l’hydrogène est si intéressant ?
Parce qu’il est vecteur d’énergie. Lorsque l’on « casse » la liaison entre deux atomes d’hydrogène (H), cette dernière émet de l’énergie. L’intérêt ne réside donc pas dans l’atome d’hydrogène seul mais plutôt dans la liaison de la molécule de dihydrogène (H2). Ainsi, il serait plus juste de parler de dihydrogène plutôt que d’hydrogène. Par comparaison avec un combustible fossile, 1kg d’hydrogène libère 4x plus d’énergie qu’1kg d’essence. Outre son efficacité énergétique, l’hydrogène peut être transporté et stocké sans perte. Aujourd’hui en France, la majeure partie de l’hydrogène est utilisée dans le domaine de la pétrochimie comme en témoigne le diagramme ci-contre.1
Comment obtenir de l’hydrogène ?
L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant de notre univers. Pourtant sur Terre, sa présence à l’état naturel est assez rare. Seuls quelques gisements présents un peu partout dans le monde émettent de l’hydrogène naturel pour l’instant inexploitable.2
Si nous ne pouvons le trouver, il nous faut alors le fabriquer. Mais alors comment ? Il suffit de s’intéresser aux éléments chimique avec lesquels l’atome d’hydrogène est lié pour pouvoir ensuite l’extraire. Pour cela, plusieurs technologies, plus ou moins matures et polluantes existent :
- Par vaporeformage du méthane : La molécule de dihydrogène est obtenue en combinant de la chaleur (≈700°C), de la vapeur d’eau surchauffée avec des atomes de carbone (C) contenus dans le méthane (CH4). Après deux réactions chimiques, on obtient de l’hydrogène mais également du dioxyde de carbone (CO2). Pour obtenir 1 kg d’hydrogène le procédé aura consommé 13kg d’éqCO2.
- Par combustion du charbon de bois : Comme le premier procédé, ici on cherche à récupérer les atomes d’hydrogène en lien avec un atome de carbone. Ainsi à très forte température (≈1200°C), et sous l’effet de deux réactions chimiques le charbon de bois libère l’hydrogène d’un côté et le dioxyde de carbone de l’autre. Cette fois, pour obtenir 1 kg d’hydrogène le procédé aura consommé en moyenne 20kg d’éqCO2.
Ces deux premiers procédés bien que polluants, restent les plus utilisés. 95% de l’hydrogène mondial est fabriqué à partir d’énergies fossiles. En effet, ces méthodes bénéficient toutes les deux d’une grande maturité technologique puisqu’elles existent depuis plusieurs décennies. On parlera ainsi d’hydrogène gris si le dioxyde de carbone est relâché dans l’atmosphère et d’hydrogène bleu s’il est capté à sa sortie puis stocké voire réutilisé.3 L’hydrogène bleu n’est pas pour autant neutre en carbone. Une étude menée par des chercheurs de l’université de Cornell aux États-Unis révèle que, en dépit de la quantité de CO2 stockée et réutilisée, cette méthode rejette seulement 9 à 12% d’éq CO2 de moins que l’hydrogène gris. En effet, d’une part l’entièreté du processus de vaporeformage entraîne nécessairement le rejet d’une petite quantité de méthane, un GES bien plus puissant que le dioxyde de carbone. D’autre part, l’électricité utilisée par les usines de capture de CO2 dans le cas de l‘hydrogène bleu provient de centrales à gaz, faisant augmenter la quantité totale de CH4 utilisée et donc les fuites potentielles qui lui sont associées.4
D’autres technologies moins polluantes permettent également d’obtenir ce gaz :
- Grâce à la gazéification de la biomasse : En utilisant la biomasse à savoir de la matière organique d’origine végétale, animale, bactérienne ou fongique comme combustible, il est alors possible d’obtenir de l’hydrogène. La biomasse subit dans un premier temps une étape de thermolyse (chauffage à ≈400°C) permettant ainsi de récolter du biochar mais également un gaz de synthèse formé de carbone d’hydrogène et d’oxygène. Ce gaz va à son tour endurer une opération de vaporeformage à 1200°C donnant ainsi un hypergaz (gaz riche en hydrogènes). Lorsque cet hypergaz est purifié, l’hydrogène récolté est alors redistribué. Enfin, chaque résidu émis (biochar et gaz annexe) sera récolté et pourra être réutilisé dans l’amendement de terres agricoles ou la réinjection dans le réseau de gaz national.
- Grâce à l’électrolyse de l’eau : Cette méthode consiste à séparer les atomes de la molécule d’eau (H2O). Pour cela il faut utiliser un courant électrique. On obtient donc d’un côté de l’hydrogène et de l’autre de l’oxygène. Il existe cependant plusieurs procédés d’électrolyse de l’eau. Parmi eux figurent l’électrolyse alcaline, l’électrolyse P.E.M. (Proton Exchange Membrane) et l’électrolyse à haute température (HTE). On parlera alors d’hydrogène jaune si l’électricité utilisée provient de centrales nucléaires ou d’hydrogène vert s’il est réalisé à partir d’électricité renouvelable.
Le prix aujourd’hui d’un kilogramme d’hydrogène varie énormément. L’hydrogène produit par vaporeformage du méthane coûte aux alentours des 1,5 €/kg. Sans compter l’impact du prix de l’électricité, le coût de l’hydrogène vert avoisine quant à lui les 5€/kg.5 Plusieurs obstacles restent à franchir pour que l’hydrogène vert devienne un vecteur énergétique rentable, parmi eux son coût en ressources, en énergie et en carbone. Bâtir une filière industrielle d’hydrogène décarbonée représente donc un défi de taille.
Une solution pour décarboner l’industrie française
Aujourd’hui, l’hydrogène peut être consommé de deux façons :
– soit sous forme de chaleur via sa combustion directe,
– soit sous forme d’électricité via une pile à combustible.
Ces moyens de consommations permettent aux différents secteurs de l’industrie française de se tourner vers l’hydrogène vert en adaptant ce vecteur énergétique à leurs besoins. Car oui, pour qu’il y ait des bénéfices notables en faveur de l’environnement, la production ainsi que la consommation d’hydrogène se doit d’être neutre en carbone. Il faut donc concentrer les investissements sur la technologie d’hydrogène vert.
Pour en savoir plus, Capitaine Carbone est allé à la rencontre d’Olivier PERRIN, associé senior, responsable du pôle énergie et industrie chez Monitor Deloitte.
En quoi l’hydrogène est-il un atout pour décarboner l’industrie française ?
« L’hydrogène est une source qui nous permet de produire de l’énergie et de la stocker. Elle a beaucoup d’atouts et n’émet pas ou peu de GES lorsque l’électrolyseur est alimenté par une source non carbonée ou une source pour laquelle on capture le dioxyde de carbone émis. C’est pourquoi l’hydrogène est intéressant pour l’industrie lourde et notamment pour les raffineries, cimenteries qui sont très gourmandes en énergies fossiles. »
Pour les secteurs des transports et du bâtiment, l’utilisation de l’hydrogène est-elle également pertinente ?
« Concernant le transport l’intérêt réside surtout dans le transport routier de longue distance et les flottes captives. L’hydrogène permettrait en effet de décarboner une partie du transport lourd (…) Les matériaux de construction très gourmands en énergie fossile dans le cycle de fabrication constituent un autre usage très attractif. Il ne faut surtout pas se priver de développer toutes couleurs d’hydrogène pour stimuler l’écosystème. »
Pour décarboner les transports à l’aide d’hydrogène, la technologie la plus utilisée est la pile à combustible. Son fonctionnement est contraire à celui d’un électrolyseur. Elle transforme les molécules de dihydrogène contenus dans un réservoir annexe en électricité qui alimente un moteur. Concernant la solution de batteries électriques, ces dernières sont encore trop lourdes et apportent de surcroît une autonomie insuffisante pour les longues distances. L’hydrogène pourrait ainsi contribuer à neutraliser les GES émis par les camions, trains ou encore avions. Cette technologie est aujourd’hui à l’essai comme par exemple en Allemagne, ou des TER fonctionnant à l’hydrogène circulent sur le réseaux ferroviaire. C’est également le cas avec le transport aérien ou cette fois l’hydrogène peut être utilisé pour produire du e-kérosène.
Quel est le rôle de la France dans tout ça ?
« Il nous faut massifier notre production d’hydrogène, pour pouvoir atteindre un coût par kilo plus attractif et contribuer à notre indépendance énergétique. La France a un rôle capital à jouer car nous avons des acteurs industriels puissants qui ont les capitaux et les compétences surtout s’ils travaillent ensemble pour bâtir un nouvel écosystème. L’hydrogène pourrait devenir un atout supplémentaire pour la France au sein de l’Europe.»
7 milliards pour développer l’hydrogène décarboné en France
En septembre dernier, la ministre de la Transition écologique, Barbara Pompili et le ministre de l’Économie, des Finances et de la Relance, Bruno Le Maire, présentaient la stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France. L’État français promet d’investir 7,2 milliards d’euros d’ici à 2030 dans l’hydrogène vert et bas-carbone. Les priorités du gouvernement sont claires. Il faut décarboner l’industrie en faisant émerger une filière française de l’électrolyse. Pour cela, le gouvernement mise beaucoup sur la technologie des piles à combustibles produites dans des Giga-usines comme celle de l’entreprise GENVIA située à Béziers dans l’Hérault. La seconde priorité consiste à développer une mobilité lourde à l’hydrogène décarboné (transports routiers, trains, avions). Enfin, l’État se revendique également comme un fervent supporter de la recherche, de l’innovation et du développement de compétences. En effet, le développement de cette filière pourrait générer entre 50 000 et 150 000 emplois sur un marché en plein développement.6
Bien que des efforts ont été constatés, le plan d’investissement présenté pose des questions. Pourquoi ne pas investir dans les énergies renouvelables si l’objectif visé est la production d’hydrogène vert ?
L’hydrogène dans les différents scénarios transition(s) 2050 de l’ADEME
Les besoins en hydrogène vert varient de façon cohérente avec les 4 scénarios qu’a présentés l’ADEME en décembre 2021.
Scénario 1 – Génération Frugale : On observera en 2050 un faible développement de l’hydrogène d’un point de vue technique, que ce soit pour le domaine des transports mais également de l’industrie lourde. En revanche, ce scénario prévoit le maintien des usages historiques de l’hydrogène. Pour cela, un apport en hydrogène fortement décarbonaté sera nécessaire puisqu’une production de 55,2 TWh est prévue en 2050 dont 81% proviendrait de l’électrolyse de l’eau. Ces prédictions viennent donc en accord avec le scénario qui promeut le low tech et la sobriété.
Scénario 2 – Coopération Territoriales : Contrairement au précédent, ce scénario prévoit de développer les applications de l’hydrogène dans le secteur de l’industrie mais également dans les transports. De nouveaux consommateurs industriels feront leur apparition. De ce fait, la production d’hydrogène en 2050 équivaudra à 95,7 TWh avec 100% de gaz obtenu grâce à l’électrolyse de l’eau.
Scénario 3 – Technologies vertes : Le niveau de consommation d’hydrogène sera indique au scénario 2 (93,9TWh). Cependant la logique de distribution du gaz sera plus centralisée. Ce scénario impliquera donc la mise en place d’infrastructures nécessaires pour importer l’hydrogène manquant (≈ 48%) comme des gazoducs. Une mesure de stockage du gaz en cavité saline sera aussi exploitée.
Scénario 4 – Pari réparateur : Ce scénario sera le plus compliqué pour l’hydrogène. Il y aura une forte présence d’infrastructures concurrentes. Des solutions de captation de GES seront mises en place dans les secteurs industriels qu’occupait précédemment l’hydrogène. La logique de réduction des émissions de ce scénario reposera donc sur ces solutions. On ne tentera pas de verdir le gaz, le coût est trop élevé. On choisira plutôt de le capter à sa sortie. Ainsi, le développement de l’hydrogène sera limité par ces infrastructures de captation. En parallèle, ce scénario prévoit de fortes avancées technologiques dans le secteur des transports sur les batteries électriques. La consommation d’hydrogène, passera de 94 à 35,6 TWh avec 66% de sa production due à l’électrolyse de l’eau.7
Les enjeux de l’hydrogène
L’hydrogène ne doit pas faire l’objet de dérives dans son déploiement industriel. Il convient de limiter les externalités négatives afin d’atteindre les objectifs de neutralité carbone fixés par l’Union européenne en 2050. En l’état actuel des connaissances et des technologies, il serait donc plus judicieux de privilégier la production d’hydrogène à partir des processus d’électrolyse ou de gazéification de la biomasse.” Dans le cas de l’électrolyse, il est indispensable de faire attention à l’électricité choisie. L’idée n’est pas d’utiliser de l’énergie provenant de centrales à charbon pour fragmenter les molécules d’eau. Au contraire, cette pratique serait contre-productive et représenterait une source de pollution supplémentaire. Ainsi, l’industrialisation de ces processus de fabrication entraîne l’apparition de nouveaux enjeux :
- Où fabriquer cet hydrogène vert ? Puisque sa production se doit d’être réalisée avec des énergies 100% renouvelables, il faudrait construire des usines près de parcs éoliens, de barrages hydrauliques, ou encore de centrales photovoltaïques.
- Si on ne peut pas en fabriquer de n’importe où, comment l’importer ? Qu’en est-il alors des technologies de distribution ? Rappelons-le, l’hydrogène compressé aujourd’hui ne représente que 15% de la densité énergétique du pétrole.8 D’un autre côté, le maintenir à son état liquide (-253°C) demanderait énormément d’énergie. A ce jour, plusieurs solutions de transport sont étudiées ou déjà utilisées (pipelines, cargos…).
- Comment réduire ce besoin en eau ? Si l’hydrogène peut aujourd’hui être fabriqué à partir d’énergies renouvelables, il a cependant besoin de grandes quantités d’eau. Cette eau est nécessaire au processus d’électrolyse mais également au refroidissement des équipements. Pour 1kg d’hydrogène il faudra compter pour l’électrolyseur 9 litres d’eau.9 Il est donc difficile d’imaginer des usines de production d’hydrogène vert au milieu de zones arides où des tensions concernant l’accès à l’eau subsistent encore.
Sources :
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