Hydrogène vert : une révolution aussi prometteuse que complexe

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(Crédits : iStock)
SPÉCIAL HYDROGÈNE, LA FRANCE A L'HEURE H - Episode 1. Pendant une semaine, La Tribune publie une série d'articles sur la révolution de l'hydrogène vert. Présentée comme indispensable pour atteindre une économie neutre en carbone, la molécule verte promet d'éviter l'émission de millions de tonnes de CO2 chaque année. Mais son développement industriel se heurte encore à de nombreux défis. Prix des électrolyseurs, coût de l'électricité, développement massif des renouvelables, décentralisation, acceptabilité sociale... Le point sur cette course de tous les obstacles.

France, Allemagne, Espagne, Portugal, Italie, Autriche, Chine, Japon, Corée du Sud... Aujourd'hui, près d'une trentaine de pays dans le monde s'est dotée d'une stratégie pour développer massivement la production et l'usage de l'hydrogène bas carbone.

"Pour atteindre la neutralité carbone, il faut impérativement sortir du cadre et faire entrer de nouveaux ingrédients dans notre mix énergétique. Et, le nouvel ingrédient dans lequel tout le monde met beaucoup d'espoir, c'est l'hydrogène décarboné", expose François Kalaydjian, directeur économie et veille stratégique chez IFP Energies nouvelles.

"L'hydrogène ne fera pas tout, mais sans hydrogène vous ne réussirez pas la transition énergétique", abonde Philippe Boucly, président de France Hydrogène, association professionnelle qui regroupe aujourd'hui près de 300 membres en France, contre 120 début 2019.

Délaissée pendant de nombreuses années, la petite molécule aux grandes promesses énergétiques est désormais présentée comme une arme indispensable pour lutter contre la crise climatique. Dans cette course internationale, la France, avec son plan à 7 milliards d'euros sur dix ans dévoilé à l'automne dernier, entend bien faire partie du peloton de tête. L'Hexagone a même fait de l'hydrogène décarboné un pilier de son plan de relance en misant sur la création d'une véritable filière industrielle. Objectif : ne pas répéter les erreurs commises dans le domaine du photovoltaïque, où les panneaux sont aujourd'hui massivement importés de Chine.

Présenté comme le carburant de demain, l'hydrogène vert permettrait d'éviter l'émission de millions de tonnes de CO2 par an, en remplaçant l'hydrogène carboné, dit gris, actuellement utilisé dans l'industrie. Aujourd'hui 63 millions de tonnes d'hydrogène sont produites par an dans le monde pour son utilisation industrielle. Une production responsable de 630 millions de tonnes de CO2, soit l'équivalent de la totalité des émissions de l'Allemagne. Car, dans la quasi-totalité des cas, cet hydrogène est fabriqué à partir d'énergies fossiles, notamment à partir du gaz naturel.

Eviter 6 millions de tonnes de CO2 par an

A l'échelle de la France, plus de 900.000 tonnes d'hydrogène sont utilisées chaque année pour l'industrie, notamment pour le raffinage afin de réduire le taux de soufre des carburants, pour la synthèse de l'ammoniac dans la production d'engrais et dans l'industrie chimique. A l'horizon 2030, l'Hexagone espère ainsi éviter l'émission de 6 millions de tonnes de CO2 par an grâce à l'hydrogène décarboné. Ces gains d'émissions doivent provenir de son utilisation dans l'industrie, mais aussi dans la mobilité lourde où les projets se multiplient. D'ici à 2030, l'Hexagone espère faire rouler à l'hydrogène quelque 5.000 véhicules lourds, 250 trains, approvisionner 1000 bateaux et compter un millier de stations hydrogène.

Si aujourd'hui l'hydrogène est fabriqué à partir d'énergies fossiles, c'est parce qu'il s'agit essentiellement d'un vecteur énergétique. Cela signifie qu'on ne trouve pas, ou très peu, de sources de production d'hydrogène dans la nature. Une autre énergie est nécessaire pour fabriquer ce gaz extrêmement léger. Selon son mode de production, l'hydrogène est donc source, ou non, d'émissions de gaz à effet de serre. Actuellement, seule la production d'hydrogène à partir d'énergies fossiles est généralisée. La plus répandue est le reformage du gaz naturel à la vapeur d'eau. Il s'agit de faire réagir du méthane avec de l'eau pour obtenir un mélange contenant de l'hydrogène et du CO2. Ce procédé permet d'obtenir un kilo d'hydrogène pour seulement 1,5 euro.

L'une des principales méthodes pour fabriquer de l'hydrogène sans émettre de CO2 est celle de l'électrolyse de l'eau. Les électrolyseurs permettent de produire de l'hydrogène propre en cassant les molécules d'eau par un courant électrique bas carbone (issue des énergies renouvelables ou de l'énergie nucléaire), qui vient séparer l'atome d'oxygène des atomes d'hydrogène. Cette fabrication, sans avoir recours aux énergies fossiles, reste encore très marginale car elle est très coûteuse. Il faut compter près de cinq euros pour un kilo d'hydrogène. C'est plus de trois fois le prix de l'hydrogène gris.

Des électrolyseurs encore beaucoup trop chers

Pour faire chuter drastiquement le coût de l'hydrogène bas carbone, la filière doit faire baisser le coût des électrolyseurs.

"Aujourd'hui, nous sommes entre 650 et 750.000 euros le mégawatt installé. L'objectif est de descendre sous les 300.000 euros dans la décennie. Il faut donc réduire de moitié le coût de nos équipements en dix ans. C'est un défi très important, mais la filière n'est pas encore industrialisée et nous pouvons donc le relever", estime Laurent Carme, le directeur général de McPhy, pionnier français spécialisé dans la fabrication d'électrolyseurs.

La baisse des coûts doit être alimentée par les économies d'échelle, sur la taille des équipements et leur nombre. La France vise ainsi 6,5 GW d'électrolyses déployés dans dix ans, contre seulement 5 MW actuellement. Dans cette optique, quatre projets d'usines de fabrication d'électrolyseurs sont à l'étude en France.

La baisse des coûts passera aussi par les innovations technologiques. En la matière, la France peut s'appuyer sur son excellence scientifique. Le CEA fournit de nombreuses pépites pionnières dans l'hydrogène décarboné et son centre grenoblois est à l'origine d'une nouvelle technologie disruptive d'électrolyse à haute performance. Celle-ci va être développée par la co-entreprise Genvia, basée à Béziers (34) et pilotée par Florence Lambert (Lire son interview ici). Début mars, le CNRS a, de son côté, lancé une fédération dédiée au premier élément du tableau périodique regroupant quelque 270 scientifiques.

Plusieurs grands industriels tricolores investissent également massivement dans l'hydrogène propre, à commencer par Air Liquide, aujourd'hui deuxième producteur mondial d'hydrogène.

"Depuis cinq ans, nous avons investi 500 millions d'euros dans l'hydrogène vert ou décarboné", affirmait récemment Pierre-Etienne Franc, directeur de l'activité hydrogène monde d'Air Liquide.

Et, dans les années à venir, le groupe envisage d'investir quelque 8 milliards d'euros dans la chaîne de valeur de l'hydrogène bas carbone."Parmi les grands énergéticiens, Engie est le plus avancé et le plus ambitieux", souligne par ailleurs une étude du cabinet Xerfi. Chaque année, les laboratoires de recherche de l'ex-GDF Suez consacrent plusieurs millions d'euros à l'hydrogène.

Beaucoup plus d'électricité renouvelable très bon marché

Mais le prix de production de l'hydrogène par électrolyse dépend aussi en très grande partie du prix de l'électricité. "Il faut que l'électricité coûte le moins cher possible", insiste Philippe Boucly. "Aujourd'hui, en France, le prix régulé de l'électricité nucléaire est de 42 euros le mégawattheure. Si vous prenez de l'électricité produite à partir de panneaux solaires en France c'est environ 50 euros le mégawattheure, tandis qu'en Espagne et au Portugal, les appels d'offres dans le solaire tournent entre 10 et 15 euros le mégawattheure. On peut imaginer importer depuis la péninsule ibérique de l'hydrogène produit avec cette électricité. On resterait alors dans un cadre européen", poursuit-il.

La production d'hydrogène vert par électrolyse à partir des énergies renouvelables suppose aussi le développement massif de ces dernières et donc de relever le défi de leur acceptabilité. En effet, même si ce procédé est mature, il pâtit d'un faible rendement énergétique.  Dans le détail, lorsqu'on transforme l'électricité en hydrogène par électrolyse, on perd 40% d'énergie. Pour stocker l'hydrogène ensuite, la compression fait perdre 10% supplémentaires. Utilisé enfin dans une pile à combustible, la perte est encore de 40%. Finalement, tout au long de la chaîne, le rendement atteint au mieux 35 à 40 %.

"En raison de ces pertes de rendement en cascade, la production d'hydrogène par électrolyse oblige d'augmenter considérablement le développement des énergies renouvelables", note François Kalaydjian.

Un point que soulève aussi Air Liquide. "Nous poussons avec tout le Conseil hydrogène pour qu'il y ait plus d'investissements en matière d'énergie renouvelable", que ce soit "le vent, le soleil ou l'hydroélectrique" a dit Benoît Potier, le PDG d'Air Liquide, lors d'une conférence de presse, fin mars."C'est un des points sensibles", a-t-il insisté.

Dans un rapport publié en janvier 2020, RTE, le gestionnaire du réseau de transport électrique estime que 30 Twh seront nécessaires pour couvrir les besoins de production d'hydrogène à l'horizon 2035, soit à peu près 6% de la production électrique nationale actuelle.

"C'est un volume qui n'est pas négligeable, reconnaît-on chez RTE. Mais dans le même temps les efforts d'efficacité énergétique, permettant de modérer largement l'augmentation des consommations d'électricité, vont s'intensifier tandis que la production de l'électricité bas carbone va augmenter avec le développement prévu des énergies renouvelables", explique-t-il.

"D'un point de vue de la couverture des besoins d'électricité, la production par électrolyse ne posera pas de difficulté", conclut-il.

Développer des écosystèmes territoriaux

L'Allemagne, qui dispose déjà de capacités de production solaire et éolienne supérieures à la France, a fait le choix d'importer une partie de son hydrogène vert depuis le Maroc, avec qui elle a récemment signé un accord. Ce partenariat doit permettre de pallier ses limites en matière d'implantation de nouvelles capacités d'énergies renouvelables.

En France, plusieurs experts préconisent de ne pas miser uniquement sur la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau.

"Il ne faut pas négliger la production à partir de la biomasse [à partir des déchets de bois par exemple, ndlr] dans la mesure où elle est relativement abondante en France et où cette méthode permet une production plus décentralisée", pointe Philippe Boucly de France Hydrogène.

Pour favoriser l'essor de l'hydrogène bas carbone dans l'Hexagone, l'association de professionnelle plaide justement pour "le développement d'écosystèmes territoriaux d'envergure". Le schéma imaginé est celui de plaques industrielles, avec un électrolyseur installé, par exemple, chez le plus gros client industriel. "Cet électrolyseur serait surdimensionné par rapport à ses besoins et le surplus permettrait d'alimenter des stations de recharge pour véhicules ou des industriels de taille plus modeste aux alentours", développe Philippe Boucly.

Au-delà de ces multiples défis industriels, la filière devra aussi rassurer sur les questions de sécurité. L'hydrogène est, en effet, dix fois plus inflammable que le gaz naturel et il s'échappe plus facilement. "On ne peut pas le nier. De manière objective, la zone d'explosivité de l'hydrogène est vaste. Mais tous les professionnels sont mobilisés car le moindre problème de sécurité constituerait un coup de frein terrible à la filière", reconnaît Philippe Boucly, en précisant que "toute énergie est dangereuse".

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Commentaires
a écrit le 12/04/2021 à 12:51 :
Un excellent exemple du green-washing.
a écrit le 12/04/2021 à 12:39 :
Comme c'est facile, de faire de l'écologie, il suffit d'accoler le mot "vert" au mot "hydrogène", et ça y est ! Sauf que ça ne marche pas comme ça. L'hydrogène, n'a rien de "vert", sa production consomme de l'énergie, et pollue tout autant que le pétrole
Réponse de le 12/04/2021 à 13:10 :
si votre électrolyseur est relié à une éolienne et un champ de panneaux photovoltaïques, et ne fonctionne donc que quand il y a du courant, c'est polluant en quoi (en usage) ? La fabrication de tout ça ça a pollué, c'est sûr, sauf fabriqué avec de l'électricité dite "verte".
"et pollue tout autant que le pétrole" vous avez des chiffres pour comparer, c'est 80, 90, 100, 110% vs pollution pétrole ? Les chiffres, estimés bien sûr, c'est bien, ça parle.
a écrit le 12/04/2021 à 12:02 :
Les femmes au foyer : ça réduit pas mal les déplacements...😂mais pas les dépenses en ligne...
a écrit le 12/04/2021 à 10:24 :
Comme d'habitude on demande aux gens qui vont bénéficier des subventions pour développer leur technologie si cette technologie est prometteuse ou pas....

Comme d'habitude il manque les ordres de grandeur:
- densité énergétique comparée des produits en présence
- rendement de la net de la filière de production dans sa totalité
- émission totale de CO2 pour l'ensemble du dispositif

Le gaz hydrogène a des caractéristiques physico chimiques qui sont ce qu'elles sont et les subventions ou innovations n'y changeront rien: ce gze n'existe pas à l'état naturel et n'est pas dense du tout, ce qui explique dès le début de la chaîne une sur consommation d'énergie pour juste démarrer le processus ce qui n'est pas autant le cas avec le pétrole qui est une source d'énergie extrêmement dense et fabriquée par la nature.

Faites les calculs de coin de table, vérifier auprès de sources qui font le travail qui devrait être fait: lisez "L’utopie hydrogène" du professeur Samuel Furfari, ingénieur-chimiste, qui a travaillé 36 ans dans le domaine de l’énergie et de l’environnement à la Commission européenne.

Après avoir consacré presque toute sa vie à l'hydrogène il s'est rendu compte que c'était une impasse .. et il n'est pas le seul.

Quand on fait ça on se rend compte que c'est une impasse ou alors on parle d'un monde totalement différent, c'est à dire ou la consommation d'énergie a été diminuée par plusieurs facteurs (5 ou 10), ou les transports sont rationnalisés à l'extrême et réservés à certains usages.

Les politiques nous mènent droit dans le mur avec l'aide de lobbys qui vont se gaver de subvention, pendant ce temps nous gaspillons des resources précieuses pour transitionner vraiment.
Réponse de le 13/04/2021 à 10:44 :
Je partage votre scepticisme. Je pense également qu’il y a un emballement sur la perception qu’offre le dihydrogène (H2) sans tenir compte des difficultés intrinsèques liées à la nature même de ce gaz. Pour répondre à vos interrogations, la densité énergétique du dihydrogène est environ trois fois supérieure au pétrole à masse comparable, par contre un kilo de dihydrogène liquide (obtenu par cryogénie) occupe un volume de 22 litres et qu’il faut beaucoup d’énergie pour cela… Par contre, c’est la forme la plus dense énergétiquement de l'H2.
Concernant le rendement du dihydrogène vert, il faut comprendre les notions d’énergie primaire et d’énergie finale. Le dihydrogène est une énergie primaire ou une énergie potentielle, l’électricité est une finale obtenue à partir d’une énergie primaire donc utilisable directement dans un tas d’utilisateurs. Si je prends l’exemple d’une production de dihydrogène à partir de l’électrolyse, le rendement et de l’ordre de 60%. En gros, il faut 100 d’énergie finale pour produire 60 d’énergie primaire, qu’il faut par la suite, retransformer en énergie finale… Si j’avais 100 d’électricité, j’obtiens 90 de travail par un moteur électrique par exemple. L’impact CO2 est faible si la production de dihydrogène se fait à partir d’électricité décarbonée (ENR, NUC, Hydraulique), par contre énergivore comparée à la technique du vapoformage du méthane.
Je peux reprendre l’exemple avec la production de bio-méthane. Deux solutions, casser la molécule pour obtenir du dihydrogène pour faire fonctionner une pile à combustible ou consommer ce même bio-méthane directement dans un moteur diesel si on prend par exemple, un train. La plus-value de la pile à combustible n’est pas aussi évidente.
Les plus grandes contraintes selon moi pour utiliser du dihydrogène sont surtout le stockage et son transport de masse. En effet, la molécule étant extrêmement petite, celle-ci passe à travers tous les matériaux, les joints… engendrant inévitablement des fuites, surtout quand le gaz est compressé…
a écrit le 12/04/2021 à 10:16 :
Nous n'arriverons à rien du tout SI nous ne réduisons pas collectivement notre consommation d'énergie. Cela passe par une réduction du déplacements des gens et des biens par des moyens consommant du pétrole et par un vaste programme d'isolation des bâtiments. Compte tenu des coûts et des intérêts financiers en jeu, ce n'est pas pour demain et sans doute pas avant que les réserves de pétrole n'aient toutes largement dépassé le Pic de Hubbert.
Réponse de le 12/04/2021 à 17:23 :
Il y a 2 façons de réduire la consommation en énergie. Soit on diminue la consommation par tête de pipe , soit on diminue les têtes de pipe. Je n'entends jamais les écologistes parler de cette deuxième solution. D'ailleurs c'est la solution pour résoudre la consommation globale.
a écrit le 12/04/2021 à 9:36 :
L’hydrogène dit vert n'échappe pas au principe que chaque innovation présente des effets pervers et comme en médecine il est nécessaire de considérer le bénéfice risque. Souvent j'ai entendu qu'un bon ingénieur devait passer 5 fois plus de temps à définir et contrôler les effets pervers d'une évolution que de s’attacher aux seuls bénéfices espérés.

Si cette idée est recevable quels sont ces effets pervers?
Réponse de le 12/04/2021 à 17:27 :
Il y a en premier lieu le danger d'avoir dans sa voiture de l'hydrogène à 480 bar. Une fuite à ces pressions vous crée un chalumeau qui coupe tout ce qui est dans son passage. La fuite s'enflamme instantanément par l'électricité statique créer par frottement.
a écrit le 12/04/2021 à 9:15 :
Bravo pour ce dossier, rien que le début de cet article expose comme ce modèle qu'ils nous brandissent, leur premier réflexe, comme solution à tout part d'abord comme un véritable casse tête à résoudre et de part les mauvais résultats permanents de nos dirigeants politiques et économiques il convient d'être méfiant car tout dépendra de leur état d'esprit soit ils font enfin tout ce qu'il faut soit cela va encore être un gaspillage d'argent public pour que dalle.
a écrit le 12/04/2021 à 8:40 :
Pourquoi nous monter la tête avec l'hydrogène! Vous tentez de construire une rente avec cela?
a écrit le 12/04/2021 à 8:40 :
Pourquoi nous monter la tête avec l'hydrogène! Vous tenter de construire une rente avec cela?

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