L'hydrogène, élément-clé de la transition énergétique ?

L’hydrogène c’est quoi exactement ?
L'hydrogène est l'élément chimique le plus abondant de l'univers. Par exemple, chaque molécule d'eau est le fruit de la combinaison entre un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène. On trouve aussi de l'hydrogène dans les hydrocarbures comme le pétrole ou le gaz qui sont issus de la combinaison d'atomes de carbone et d'hydrogène.

Si quelques sources d’hydrogène (à l’état naturel) ont été découvertes dans les fonds marins et également sur terre, comme dans le village malien de Bourakebougou où l’hydrogène naturel est exploité pour fournir de l’électricité, aucune exploitation à grande échelle n’existe à ce jour. L’hydrogène est ainsi toujours associé à d’autres éléments chimiques comme l’oxygène ou le carbone.

Comme l’électricité, le gaz dihydrogène (H2), ou par abus de langage, tout simplement hydrogène, est donc considéré comme un vecteur énergétique et non une source d’énergie primaire.

Actuellement, l’hydrogène est surtout utilisé comme composant chimique dans différents procédés industriels (raffinage et désulfuration du pétrole, production d’ammoniac, électronique, métallurgie, industrie spatiale, etc.). Mais ce gaz suscite aujourd’hui bien d’autres intérêts par ses propriétés énergétiques remarquables. En effet, par kilo, il contient 2,2 fois plus d’énergie que le gaz naturel, 2,75 fois plus que l’essence et 3 fois plus que le pétrole. L’hydrogène peut donc être utilisé dans de nombreuses applications et, selon l’usage final, être converti en électricité, en chaleur ou en force motrice. 

Comment produire de l’hydrogène ?
Si l’hydrogène n’est pas une source d’énergie primaire, la question qui se pose et que nous nous posions déjà en début d’année dans un précédent article sur les avions zéro-émission, c’est de savoir comment est produit l’hydrogène. Car, pour en faire « l’énergie du futur », il faut que le procédé soit peu énergivore et à impact carbone limité, voire nul.

Or à l’heure actuelle, 95 % de la production mondiale d’hydrogène, qui s’élève annuellement à 75 millions de tonnes, provient de la séparation de combustibles fossiles, principalement par vaporeformage de gaz naturel. Un tel procédé représente pour chaque kg de dihydrogène (H2) produit, 10 kg de CO2 dégagés. Nous sommes donc là loin de l’énergie du futur. On parle ainsi couramment d’hydrogène gris ou hydrogène fossile pour caractériser cet hydrogène produit à partir des énergies fossiles avec une forte émission de gaz à effet de serre. En captant et en stockant le CO2 émis lors de la production d’hydrogène, ce dernier devient neutre en carbone et l’on parle alors d’hydrogène bleu ou hydrogène bas carbone. Toutefois le captage et le stockage du CO2 a un coût, et aujourd’hui, seuls quelques projets pilotes ont été menés dans ce sens. 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.

La gazéification permet quant à elle de produire, par combustion, un mélange de carbone (CO) et de dihydrogène (H2) à partir de charbon (solution qui émet elle aussi beaucoup de CO2). Là encore, difficile d’y voir l’énergie de demain.

Mais la production d’hydrogène par gazéification peut également se faire à partir de biomasse, comme le bois. Le projet H2Bois, porté par le Groupe Corbat, spécialisé dans la mise en valeur du bois des forêts jurassiennes, en collaboration avec le bureau d’ingénieurs PLANAIR, vise la mise en service d’une installation produisant de l’hydrogène de qualité mobilité (pouvant également être utilisé dans l’industrie) à partir de résidus de bois. Second du genre en Europe et pionnier en Suisse, ce projet devrait permettre de fabriquer à partir de 2022 l’équivalent de la consommation annuelle de 4'500 voitures, soit 225 tonnes d’hydrogène bas carbone par an. À cela s’ajoutent annuellement 1'500 tonnes de biochar, cette sorte de charbon de bois également issu de la gazéification du bois, qui peut servir dans l’agriculture en agissant comme un puit de carbone.

L’hydrogène peut aussi être produit à partir d’eau et d’électricité, soit par électrolyse de l'eau. L’électrolyseur sépare une molécule d’eau (H2O) en dihydrogène (H2) et en oxygène (O). Cette voie est aujourd’hui encore peu répandue (moins de 5% de la production d’hydrogène mondiale) car elle est nettement plus coûteuse (2 à 3 fois plus chère que le reformage du gaz naturel). Et qu’en est-il des émissions de gaz à effet de serre issues du processus d’électrolyse ? Cela dépend bien entendu du type d’électricité utilisé : lorsque l’électricité utilisée dans le processus provient d’une source renouvelable comme l’hydroélectricité, le solaire ou l’éolien, les émissions sont réduites au minimum (0,97kg de CO2 pour un kg d’hydrogène avec de l’électricité provenant d’éoliennes par exemple). On parle alors ici d’hydrogène vert ou hydrogène renouvelable.

Les promesses de l’hydrogène
Vous l’avez compris, ce n’est pas si simple et surtout avantageux de produire de l’hydrogène renouvelable ou bas carbone. Si les gouvernements et industriels investissent aujourd’hui massivement dans l’hydrogène, c’est donc pour développer cette filière qui présente tant de promesses.

Notre approvisionnement énergétique doit devenir climatiquement neutre avant 2050. Cela implique en particulier de se passer des énergies fossiles. La production d’hydrogène bas carbone ou renouvelable est ainsi vue comme une contribution importante à la décarbonisation de l'économie pour à peu près toutes les applications qui aujourd’hui font appel aux énergies fossiles (transport, industrie lourde, chimie, chauffage, etc.).

Les acteurs du secteur gazier sont particulièrement actifs dans ce domaine et ont pour objectif de remplacer petit à petit le gaz naturel par le biogaz ou l’hydrogène. Les fabricants de chaudières travaillent ainsi au développement de chaudières à hydrogène ou chaudières à gaz compatibles à 100% avec l’hydrogène à l’horizon 2025-2030.

Dans le domaine de la mobilité, alors que l’on parle beaucoup des voitures électriques fonctionnant avec une batterie, la pile à combustible à hydrogène semble elle aussi promise à un bel avenir, en particulier pour les poids-lourds. Les véhicules fonctionnant à l’hydrogène présentent une autonomie plus importante qu’une batterie électrique et le plein est pour ainsi dire aussi rapide que pour un véhicule équipé d’un moteur thermique équivalent. En Suisse, l’association Mobilité H2 Suisse s’engage pour la mise en place d’un réseau de stations-service à hydrogène couvrant l’intégralité du territoire national.

Un autre enjeu important pour la transition énergétique est l’équilibrage entre une production d’énergie toujours plus décentralisée et fluctuante issue des sources renouvelables (eau, soleil ou vent) et la consommation d’énergie. C’est la problématique de la sécurité de l’approvisionnement. Alors que nous avons, aujourd’hui déjà, un déficit de production d’électricité en hiver, et que ce déficit devrait s’accroître encore avec le remplacement de l’électricité d’origine nucléaire par du renouvelable, l’hydrogène a l’avantage de permettre le déphasage saisonnier de la production par rapport à la consommation, sur le modèle d’une batterie géante.

En effet, grâce à l’hydrogène, les surplus d’électricité renouvelable produits en été peuvent être convertis et stockés afin d’être utilisés en différé par exemple au moyen d’une centrale de cogénération (CCF). On parle alors de couplage ou de convergence des réseaux. Comme le souligne l’Association des entreprises électriques de Suisse (AES), « la pièce maîtresse du couplage des secteurs est la liaison entre les secteurs de l’électricité, de la chaleur et des transports via les dispositifs de stockage et les convertisseurs d’énergie. L’électricité peut être ainsi utilisée pour fabriquer du gaz stockable (méthane, hydrogène) et vice-versa ».

On le voit, l’hydrogène peut donc être utilisé comme matière première, comme carburant ou comme vecteur d'énergie et de stockage, et a de nombreuses applications possibles dans les secteurs de l'industrie, des transports, de l'électricité et des bâtiments. Il présente de nombreuses promesses pour concrétiser la transition énergétique, et les gouvernements développent les uns après les autres des stratégies pour devenir leaders dans ce domaine et soutenir leur engagement à atteindre la neutralité carbone.

Encore quelques enjeux à relever
Pour concrétiser ces promesses, quelques obstacles doivent toutefois encore être relevés :

Stockage : l’hydrogène est le gaz le plus léger. Pour l’entreposer, le transporter et le distribuer, il faut soit le liquéfier à une température extrêmement basse (- 253 °C), soit le comprimer à très haute pression (700 bars). Ces opérations sont très énergivores : sa liquéfaction, par exemple, consomme 10 à 13 kWh d’électricité par kg.

Pertes de rendements : la transformation d’électricité renouvelable excédentaire en hydrogène pour le stockage, puis la transformation de l’hydrogène en électricité pour une utilisation ultérieure (power-to-gaz-to-power) présente par exemple des pertes de rendements de l’ordre de 70% à 75%, selon une note de l’Agence de la transition écologique en France. Ainsi, pour produire un kg d’hydrogène, il faut 58.7 kWh d’électricité, mais l’énergie électrique qui en résulte n’est que de 13.4 kWh comme le montre le graphique ci-dessous.

Sécurité : La molécule d’hydrogène étant de très petite taille et de faible viscosité, elle présente une propension à fuir plus importante en comparaison à d’autres gaz combustibles. L’hydrogène présente également une probabilité d’inflammation plus élevée que celle du propane ou du gaz naturel, même sans présence de flamme ou d’étincelle. La sécurité d’utilisation de l’hydrogène est donc un enjeu important à maîtriser, ce qui est bien entendu le cas pour ses différentes applications existantes. Dans le domaine de la mobilité par exemple, l’homologation des réservoirs à hydrogène est très sévère et dépend de plusieurs cycles de tests comprenant des tirs à balles réelles auxquels ces derniers doivent résister.

L’hydrogène, énergie d’avenir… depuis longtemps
En 1874, Jules Vernes prédisait dans son roman L’Île mystérieuse, que l’eau serait 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 ».

Cela fait donc près de 150 ans que l’on parle de l’hydrogène comme une « énergie d’avenir ». Les moyens mis sur la table aujourd’hui par les gouvernements et les industriels pour le développement des technologies hydrogène doivent donc permettre de relever les enjeux mentionnés plus haut afin que l’hydrogène devienne, enfin et pour de bon, un vecteur énergétique renouvelable et abondant, une « énergie d’aujourd’hui ».

D’importants travaux de recherche sont lancés à travers le monde dans le but d’atteindre de bons rendements de conversion. On s’intéresse également à la production d’hydrogène par des bioprocédés, dits de troisième génération (bio-)photolyses de l’eau permettant de produire de l’hydrogène à partir de la lumière du soleil, ou via l’utilisation de certaines microalgues et cyanobactéries). On s’intéresse aussi à l’exploitation de l’hydrogène à l’état naturel, non plus cette fois comme un vecteur énergétique, mais comme une source d’énergie primaire.

Le temps presse pour atteindre la neutralité carbone. Nous verrons ces prochaines années si l’hydrogène fait effectivement partie des solutions pour y parvenir