Production de l'hydrogène: il faut miser sur la production locale

Xavier Dalloz

Publié le 03 octobre 2022 à 06:28 - Mis à jour le 03 octobre 2022 à 06:30

La Première ministre Elisabeth Borne présentant la stratégie du gouvernement en matière d'hydrogène le 28 septembre à l'occasion d'une visite à Venette, près de Compiègne, du centre de recherche et de développement Alpha de l'entreprise Plastic Omnium.

Reuters

OPINION. La Première ministre Elisabeth Borne qui veut faire de la France une championne de l'hydrogène décarboné a annoncé le mois dernier une première liste de 10 projets. Si cela va dans le bon sens pour lutter contre le réchauffement climatique, tout dépend de la façon dont sera produit cet hydrogène décarboné. Par Xavier Dalloz, consultant spécialisé dans les nouvelles technologies.

D'ici quelques décennies, tous nos besoins énergétiques, électricité, industrie, transports, bâtiments et agriculture, devront provenir de sources décarbonées. Cela nécessitera d'énormes changements en un peu plus d'une génération et nécessitera des solutions, des technologies et des politiques innovantes.

Il s'agit d'une « troisième révolution industrielle », et l'économie de l'hydrogène en fera partie intégrante, et bien plus tôt que beaucoup ne le pensent aujourd'hui. L'hydrogène jouera un rôle crucial dans ce changement fondamental de nos systèmes énergétiques. Il constituera un élément clé de la solution au changement climatique.

Comme le fait aussi remarquer l'universitaire Hazzim F. Abbas, l'hydrogène apparaît en effet comme l'un des vecteurs énergétiques les plus prometteurs car respectueux de l'environnement, notamment parce que la quantité d'énergie produite lors de la combustion de l'hydrogène est supérieure à celle dégagée par tout autre combustible sur une base massique, avec un faible pouvoir calorifique qui est respectivement 2,4, 2,8 ou 4 fois supérieur à celui du méthane, de l'essence ou du charbon.

Au-delà de l'électrolyse

S'il est compréhensible d'avoir aujourd'hui massivement recours à l'électrolyse, focaliser le débat sur l'hydrogène autour de cette technique de production détourne des objectifs et des enjeux du gigantesque chantier de la transition énergétique.

Les technologies actuellement disponibles ne permettent pas de relever le défi (capacités, coûts), et il est essentiel de changer de paradigme 1) en prenant le problème à la racine et en partant des objectifs et impératifs de la lutte contre le changement climatique pour mesurer précisément les besoins et confronter ces chiffres à la réalité de ce que nous faisons aujourd'hui ; 2) en soutenant l'innovation industrielle autour de procédés de production d'hydrogène décarboné à partir de méthane, ce qui nous permettra d'aller vraiment plus loin et d'être à la hauteur des enjeux. L'objectif est de penser décentralisation et circuit court en misant sur le WEB3. C'est la prochaine étape logique pour donner aux utilisateurs un contrôle total sur la production décentralisée, le recyclage et une meilleure des ressources locales.

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Plusieurs problèmes se posent en effet pour une production centralisée de l'hydrogène, notamment l'électrolyse.

Du point de vue du réchauffement climatique, l'électrolyse n'a guère de sens dans un avenir prévisible :

Comme le rappelle Joseph J.Romm, l'eau peut être électrolysée en hydrogène et en oxygène, mais nécessite un processus extrêmement énergivore. Les unités d'électrolyse commerciales typiques nécessitent environ 50 kilowattheures par kg, une efficacité énergétique de 70 %. Le coût aujourd'hui de la production et de la livraison d'hydrogène à partir d'une centrale d'électrolyse est estimé entre 7 et 9 dollars par kg. Le coût de la production sur place à une station-service locale est estimé à 12 dollars par kg. Remplacer la moitié des carburants de transport terrestre aux États-Unis en 2025 (principalement de l'essence) par de l'hydrogène issu de l'électrolyse nécessiterait à peu près autant d'électricité que celle qui est vendue aux États-Unis aujourd'hui.

Produire 1 kg d'hydrogène par électrolyse générerait en moyenne 35 kg de CO2. L'hydrogène pourrait être produit à partir d'électricité renouvelable, mais cela coûterait encore plus cher . De plus, l'électricité « renouvelable » a de meilleures utilisations pour les prochaines décennies.
Par ailleurs, il est extrêmement peu probable que l'hydrogène liquide soit un élément majeur d'une économie de l'hydrogène en raison des problèmes de coût et de logistique liés à sa manipulation et parce que la liquéfaction est très énergivore. En effet, environ 40 % de l'énergie de l'hydrogène est nécessaire pour le liquéfier en vue de son stockage.
Notons aussi que l'hydrogène comprimé jusqu'à des pressions de 5.000 livres par pouce carré (psi) ou même de 10.000 psi dans un processus à plusieurs étapes qui nécessite un apport d'énergie égal à 10 à 15 % de la teneur en énergie utilisable de l'hydrogène. À titre de comparaison, la pression atmosphérique est d'environ 15 psi. Travailler à des pressions aussi élevées crée une complexité globale du système et nécessite des matériaux et des composants sophistiqués et coûteux.
Un dernier point très important : l'hydrogène est hautement inflammable, avec une énergie d'allumage 20 fois inférieure à celle du gaz naturel ou de l'essence. Il peut être enflammé par des téléphones portables ou par des orages électriques situés à des kilomètres de distance.
Enfin, tout réservoir de stockage à haute pression présente un risque de rupture. Pour ces raisons, l'hydrogène est soumis à des codes et des normes strictes et lourdes,
De plus, l'eau est une ressource précieuse. Il est préférable de la conserver pour l'agriculture, notre alimentation, etc.

Le recours au gaz

La production d'hydrogène décentralisée à partir du gaz va donc s'imposer !

le gaz n'est pas l'ennemi de la transition énergétique, à condition d'en repenser l'usage et d'abandonner la combustion au profit de la décomposition. De plus, le CH4 demande 7 fois moins d'énergie que H2O pour produire la même quantité d'hydrogène.
les micro-ondes sont un moyen de produire un plasma très efficace, car c'est une source mature avec un très bon capex. Ce couplage MW et décomposition du méthane permet d'envisager le potentiel pour un hydrogène très compétitif, se rapprochant du coût de l'H2 gris, mais sans émission de CO2.
le coût de production et de livraison d'hydrogène à partir de gaz naturel, ou de production d'hydrogène sur place dans une station-service locale, est de 4 à 5 dollars par kg (hors taxes sur le carburant) , comparable à un prix de l'essence de 4 à 5 dollars le gallon. (Un kg d'hydrogène contient à peu près la même énergie utilisable qu'un gallon d'essence.)
la décomposition par micro-ondes (MW) offre un traitement non thermique utilisant des électrons à haute énergie pour initier la décomposition du méthane, abaissant ainsi la température requise et l'apport d'énergie associé.
l'approche MW offre une voie verte pour le H2 du méthane, car aucune eau n'est nécessaire avec une émission de CO2 nulle.
Avec des systèmes MW à l'échelle industrielle ayant une efficacité de conversion électrique de 70 à 80% en rayonnement MW, l'économie énergétique a un potentiel favorable.
Même la décomposition thermique du méthane a une efficacité énergétique d'environ 60%, comparable au SMR.

Bien que la décomposition du méthane se concentre normalement sur l'hydrogène en tant que principal produit d'intérêt, la quantité de produit carboné solide généré sera énorme pour produire de l'hydrogène en grande quantité. Par exemple, la production d'environ 2 % de l'H2 actuellement consommé dans le monde produirait environ 3 millions de tonnes métriques de carbone solide, soit environ 25 % de la production annuelle de noir de carbone dans le monde. Les utilisations potentielles incluent les applications de renforcement et de remplissage, actuellement rencontrées par les noirs de carbone, les applications de poudre de graphite, les applications électriques et électroniques, les matériaux de construction, comme substitut du coke métallurgique, ou même pour l'amendement des sols .

L'exemple de Sakowin

Un bon exemple de la production d'hydrogène par plasma MW est celui de Sakowin qui s'appuie sur la technologie plasma micro-ondes qui assure la décomposition du méthane en hydrogène gazeux et en carbone solide.

Grâce à ce procédé, Sakowin est parvenu à développer « South Beach ». Une solution qui s'installe sur le site où l'hydrogène sera consommé en utilisant les infrastructures gazières existantes afin de produire de l'hydrogène à la demande. Sa structure modulaire efface le besoin de transport et de stockage et permet par ailleurs de créer des systèmes pouvant produire plusieurs tonnes d'hydrogène par jour en les assemblant pour créer une unité de grosse capacité.

Gérard Gatt, le président de Sakowin rappelle que