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Hydrogène
H2
Le carburant des étoiles...
bientôt dans votre voiture ?
L'hydrogène est tout sauf une énergie nouvelle.
C'est même l'un des trois atomes les plus anciens de l'univers.
Avec l'hélium et le lithium, il s'est formé environ 380 000 ans après le Big Bang et possède la structure la plus simple : un seul proton et un seul électron.
Il est le principal constituant du Soleil et de la plupart des étoiles, qui tirent leur énergie de la fusion thermonucléaire de l'hydrogène. C'est aussi l'élément chimique le plus abondant dans tout l'univers visible.
Sans aller aux confins de l'univers ni remonter jusqu'au Big Bang, l'hydrogène est déjà, depuis longtemps, un élément abondamment utilisé sur Terre.
Notamment comme ingrédient dans de nombreuses industries : raffinage, métallurgie, verre, électronique, textile, engrais…
Comme source d'énergie, l'hydrogène sert aujourd'hui surtout à faire décoller les fusées.
Sa part dans l'approvisionnement énergétique mondial est encore très faible. Mais elle devrait rapidement augmenter dans les décennies à venir.
Pourquoi un tel "buzz" aujourd'hui autour de l'hydrogène ?
La réponse est simple :
à cause du changement climatique.
Depuis la COP 21 et l’Accord de Paris sur le climat, dans leur grande majorité, États et entreprises sont convaincus de la nécessité d’abandonner pétrole, charbon et gaz naturel pour contenir le réchauffement. Cela suppose de trouver des énergies de substitution, comme les sources renouvelables – le solaire et l’éolien en tête.
Mais si ces deux énergies se développent rapidement, leur nature intermittente les empêchera toujours de couvrir 100 % de la demande. L’hydrogène pourrait contribuer à pallier cette intermittence. Aux côtés d’énergies déjà installées comme le nucléaire, il compte parmi les candidats les plus prometteurs pour incarner ce "chaînon manquant" de la transition énergétique.
Puisque l'hydrogène est si génial, c'est quoi le problème ?
Le problème, c'est qu'il y a mille façons de produire de l'hydrogène, et que toutes sont loin d'apporter un avantage environnemental. Selon son mode de production, l'hydrogène sera tantôt un contributeur massif aux émissions de gaz effet de serre et au changement climatique, tantôt un levier-clé de la transition énergétique.
+99%
de la production actuelle est issue de ressources fossiles
69,5% Gaz
29,5%
Charbon
0,80% Pétrole
0,15% Electricité
0,05% Biomasse
Pour s'y retrouver, ces modes de production sont souvent classés par couleurs évoquant leur impact écologique.
Gris / brun / noir
Les hydrogènes à éviter
Aujourd’hui, la quasi-totalité de la demande en hydrogène est satisfaite au moyen de procédés fortement émetteurs de gaz à effet de serre. Cela tient à son abondance dans les hydrocarbures : comme leur nom l’indique, ces molécules sont riches à la fois en carbone et en hydrogène. Environ 70% du marché provient de l’hydrogène "gris" obtenu par vaporeformage de gaz naturel – un procédé ancien qui est à ce jour le moins coûteux. Les hydrogènes dits "bruns" et "noirs", qui représentent près de 30% du marché, sont quant à eux produits via un procédé de gazéification de lignite et de charbon bitumineux.
Que faire avec de l'hydrogène vert ?
A condition de parvenir à le produire massivement sans ressources fossiles, l’hydrogène a tout pour devenir un vecteur majeur de la décarbonation de l’économie. Ses propriétés le rendent très complémentaire des énergies renouvelables intermittentes, et utile dans les secteurs difficiles à électrifier.
Décarboner les procédés industriels
Actuellement, pratiquement toute la production mondiale d’hydrogène est consommée par des industries pour lesquelles il représente non pas une énergie, mais un ingrédient de base de leurs processus. En basculant leurs approvisionnements vers de l’hydrogène "propre", ces industries connaîtraient une amélioration significative de leur bilan carbone. Sont concernés au premier chef la fabrication d’engrais (via la synthèse d’ammoniac), le raffinage d’hydrocarbures, la métallurgie et la synthèse du méthanol – un autre composant de base pour de multiples industries chimiques.
Usages industriels de l'hydrogène en 2021
Réaliser des combustions sans carbone
L’hydrogène est aussi une énergie directement exploitable en le brûlant comme on le fait aujourd’hui avec les hydrocarbures. L’avantage est que sa combustion avec de l’oxygène produit de l’eau, au lieu du CO2 émis par les moteurs thermiques classiques. Potentiellement, grâce à la haute densité énergétique de l’hydrogène, ce type d’usage pourrait se développer avec relativement peu d’ajustements techniques dans des secteurs difficiles à décarboner par d’autres moyens : turbines d’aéronefs, hauts-fourneaux et fours industriels… En la matière, le défi est avant tout logistique (comment assurer un approvisionnement massif ?), financier (quel sera le coût de l’hydrogène "vert" ?) et réglementaire : comment adapter les opérations à cette nouvelle énergie pour les rendre efficaces et sûres ?
Stocker de l'électricité verte
Le plus grand intérêt de l’hydrogène réside peut-être dans son utilisation non pas comme "source", mais comme "vecteur" d’énergie. Dans ce cas, la molécule devient un état intermédiaire entre l’énergie primaire produite et l’énergie finale consommée. Cette approche s’avère prometteuse pour compenser le problème d’intermittence des énergies renouvelables (ENR) comme l’éolien et le photovoltaïque. Schéma le plus fréquemment : le parc ENR connecté à un électrolyseur. En période de forte production, son excédent d’électricité sert à fabriquer de l’hydrogène, qui peut être stocké indéfiniment. Dans les périodes de baisse de production ou de forte consommation, ce stock d’hydrogène est reconverti en électricité, laquelle est injectée dans le réseau de façon à garantir un approvisionnement continu et largement prévisible.
Démocratiser la pile à hydrogène
Mieux adaptée aux usages en mobilité, une autre approche consiste à utiliser l’hydrogène dans une pile à combustion : en tant que vecteur énergétique, l’hydrogène contenu dans un réservoir sert à produire de l’électricité qui, à son tour, alimente un moteur électrique. C’est l’architecture la plus répandue dans les véhicules fonctionnant aujourd’hui à l’hydrogène – essentiellement des flottes de véhicules professionnels et des bus. La technologie ne cesse cependant de progresser pour optimiser les performances de ces piles, leur poids, leur coût, et les rendre pertinentes pour un usage à grande échelle sur tous types de véhicules : autos, camions, engins de chantier, bateaux, trains, et même avions.
Fabriquer des carburants neutres en carbone
Autre solution prometteuse à court / moyen terme : les technologies dites Power-to-Gas et Power-to-e-Fuel. Il s’agit ici de combiner de l’hydrogène vert avec du CO2 prélev dans l’atmosphère ou capté à la sortie des usines, en vue de fabriquer des hydrocarbures de synthèse. Outre leur faible bilan carbone, ceux-ci ont l’avantage d’être très proches des gaz et carburants traditionnels. Ils pourraient donc être facilement utilisés, purs ou en mélange, dans les moteurs et équipements actuels, comme cela se fait avec les biocarburants, déjà commercialisés en mélange à plus ou moins haute teneur dans les carburants SP95, SP98 et super-éthanol E85.
L'hydrogène au service du transport...
... sur la route
Il existe déjà de nombreux modèles de voitures à hydrogène, mais leur place reste très marginale sur le marché mondial : 17 000 ventes en 2021, contre plus de 6,5 millions pour les voitures électriques en plein boom. L’Union européenne prévoit néanmoins de déployer, d’ici à 2030, des stations à hydrogène tous les 200 km le long de ses principaux axes routiers. Ces dernières bénéficieront avant tout aux futures flottes de véhicules lourds (camions, cars et bus), pour lesquels l’hydrogène représente une solution potentiellement plus avantageuse que l’électrique en termes d’autonomie. De nombreux constructeurs - historiques comme Mercedes, Volvo ou Iveco, mais aussi des start-ups comme Nikola - travaillent sur des modèles qui commencent à arriver sur les routes.
Le saviez-vous ?
L'avion à hydrogène a déjà volé !
Quels sont les principaux freins à l'essor de l'hydrogène ?
Un problème de coûts
Pour que les acteurs du marché adoptent massivement l'hydrogène bas carbone, son coût devra être compétitif - non seulement comparé aux énergies fossiles, mais aussi aux énergies renouvelables.
H2
Quantité de CO2 émis par kilo d'hydrogène produit
10 kg
0,5 à 3 kg
H2
Comparer les hydrogènes vert et gris suivant leur :
Bilan carbone
Prix
Actuellement, l'hydrogène "vert" coûte plus cher que celui issu du gaz naturel. Mais, comme cela s'est vu sur le marché des renouvelables, à mesure que le nombre, la taille et l'efficacité des électrolyseurs progresseront, son prix atteindra des niveaux attractifs.
Un problème d'investissement
Les nouvelles applications de l'hydrogène dépendent de la construction d'un écosystème entier, depuis la production (électrolyseurs) jusqu'à la consommation (véhicules, fours...), en passant par la logistique (stockage et distribution). L'effort n'est pas inédit : il a été accompli au début du 20e siècle pour faire basculer l'économie mondiale du charbon au pétrole. Mais il réclame des centaines de milliards d'investissement, et se mesure en décennies.
Des investissement importants... mais à relativiser !
700 Mds $
nécessaires d'ici 2030 pour atteindre la neutralité carbone en 2050.
Cela représente moins de
15%
des investissements réalisés dans les projets d’hydrocarbures "amont" au cours de la dernière décennie.
Un problème... d'oeuf et de poule !
D’un côté, les producteurs hésitent à investir dans des électrolyseurs faute d’être sûrs que leur hydrogène trouvera des acheteurs ; de l’autre, les consommateurs industriels n’osent pas convertir leurs infrastructures à cette énergie, faute de garanties sur le prix et la disponibilité de l’approvisionnement. C’est là que l'investissement public trouve son utilité, en rassurant et incitant les acteurs privés.
17 pays
ont publié une stratégie hydrogène en 2021,
engageant des investissements publics de
37 Mds $
Conclusion ?
Une pièce du puzzle
Complément pour les énergies renouvelables, vecteur de décarbonation pour les industries lourdes et le transport longue distance : l'hydrogène constitue un pilier des stratégies de transition énergétique présentées par les États et les entreprises, au même titre que la sobriété énergétique ou l'électrification du mix. L’hydrogène n’est donc pas un game changer à lui tout seul, mais plutôt une pièce du puzzle : selon les projections de l’Agence internationale de l’énergie (IEA), l'essor de l’hydrogène "vert" représente 6% de l’effort global nécessaire pour atteindre le "net zéro émission" en 2050.
Leviers de décarbonation selon l'IEA
(cliquez sur le camembert)