Un générateur à hydrogène testé par l’OTAN

Jusqu’à présent principalement utilisé comme matière première pour la chimie et le raffinage pétrolier, l’hydrogène est de plus en plus identifié comme vecteur énergétique d’avenir en raison de ses facultés de stockage et du fait que son utilisation n’émet pas de CO₂. Il se présente aujourd’hui comme un substitut possible aux hydrocarbures, et un moyen efficace pour faciliter l’intégration des énergies renouvelables. Si les 75 millions de tonnes d’hydrogène produites par an dans le monde sont pour l’instant issues à plus de 95% d’énergies fossiles, les nouvelles technologies permettant de produire de l’hydrogène décarboné continuent à gagner en maturité. La production d’hydrogène à partir de biomasse ou par électrolyse est soutenue par l’émergence d’une nouvelle demande pour de « l’hydrogène vert ».

Dans l’industrie, le recours à un hydrogène décarboné devrait intervenir dans les procédés utilisant traditionnellement de l’hydrogène fossile comme la production d’ammoniac et le raffinage du pétrole, mais également dans de nouveaux procédés en substitut d’autres matières fossiles. Les projets d’expérimentation de nouvelles voies d’intégration d’hydrogène décarboné ou de valorisation d’hydrogène fatal dans les chaînes de production se sont ainsi multipliés ces dernières années, et la loi énergie climat 2019 fixe un objectif de 20 à 40% d’hydrogène bas carbone et renouvelable à l’horizon 2030.

Dans les transports, les véhicules hydrogène représentent une alternative de choix pour répondre aux défis de la mobilité durable. Ils ne rejettent que de l’eau, disposent d’une autonomie équivalente à un véhicule à combustion et se rechargent rapidement. En plus de la multiplication du nombre de modèles de voitures hydrogène, l’année 2019 aura été marquée par l’accélération de la dynamique du ferroviaire hydrogène avec la multiplication des commandes du train développé par Alstom, et par l’intérêt grandissant des collectivités locales pour le déploiement de lignes de bus à hydrogène.

Dans le cadre d’un mix électrique futur toujours plus renouvelable, le vecteur hydrogène énergie permet de pallier l’intermittence des énergies renouvelables en stockant, sous forme gazeuse, l’électricité excédentaire produite lors des périodes de forte production et de faible consommation (Power to Gas). Le stockage d’énergie rendu possible par l’hydrogène permet aussi d’étendre les perspectives de l’autoconsommation à l’échelle d’une maison, d’un bâtiment ou d’un village.

Alors que les batteries fournissent une énergie immédiate court terme, l’hydrogène agit en prolongateur d’autonomie sur le long terme. L’exemple du bateau Energy Observer illustre grandeur nature l’immense avantage massique de l’hydrogène en comparaison des batteries. Alors que le parc batteries pèse 1400kg pour 112 kWh, le stockage hydrogène et la pile à combustible pèsent au total 1700kg pour 1000 kWh. Rapporté au kilogramme, 1kWh pèse donc 12,5kg lorsqu’il est stocké dans des batteries, et seulement 1,7kg lorsqu’il est stocké sous forme d’hydrogène. En d’autres termes, cela signifie qu’à poids égal, le stockage hydrogène contient 7,35 fois plus d’énergie que le stockage batterie, soit un atout considérable pour la mobilité, qu’elle soit maritime, terrestre, ou même aérienne. Pour plus de détails, voir aussi l’exemple d’application développée à bord des Hynova 40, et l’article sur l’hybridation pile à combustible – batteries à retrouver ICI.

En terme d’énergie « contenue » : 1 kg d’ H₂ = 11 Nm³ = 13,6L d’ H₂ liquide = 23,3L d’H₂ à 700 bars et contient 33 kWh d’énergie produit par 52 kWh d’électricité (en pratique industrielle, le rendement est de 63% par électrolyse avant compression ou liquéfaction). Un litre d’ H₂ liquide pèse 73,5 g et contient 2,4 kWh donc 4 litres H₂ liquide = 9,6 kWh. Un litre d’ H₂ à 700 b pèse 43g et contient 1,4 kWh donc 7 litres H₂ à 700 b = 9,8 kWh On en déduit en terme d’énergie (approximativement) : 1 litre essence = 9 kWh = 3000 l d’ H₂ (à Patm) = 7 litres H₂ / 700 b = 4 litres H₂ liquide / -253°C.

À l’heure actuelle, 95% de l’hydrogène produit en France est d’origine fossile, comme près de 99% de celui produit dans le reste du monde. Cet hydrogène est obtenu le plus souvent à partir du procédé de vaporeformage du méthane, le composant principal du gaz naturel. Chaque kg d’hydrogène produit ainsi émet 12 kg de CO₂, et son prix de revient varie de 1 à 2.5€ par kg. Près de 45% de la production mondiale est issue de cette technique.

Environ 25% de la production d’hydrogène provient de « co-production » de produits raffinés issus d’hydrocarbures, qu’on appelle alors hydrogène « fatal ». Son coût de production est variable puisqu’il s’agit ici d’un « résidu » de production d’autres éléments chimiques, et donc son empreinte carbone l’est aussi.

Une troisième filière utilise le charbon, brûlé à très haute température (1200 à 1500°C) pour séparer l’hydrogène — qu’on devrait appeler dihydrogène H₂ — du CO₂, sous forme de gaz. Cette production, environ 30% du total, permet d’obtenir un hydrogène dont le prix de revient au kg oscille entre 1,5 et 3€ le kg, mais libère 19kg de CO₂ par kg d’hydrogène.

Il s’agit là de modèles industriels qui fabriquent de l’hydrogène « gris ». L’hydrogène « vert », qui ne contribue qu’à moins de 1% de la production mondiale (environ 5% en France), provient de l’utilisation d’énergies décarbonées ou renouvelables (solaire, éolien…). L’électrolyse de l’eau, qui permet une empreinte carbone nulle ne représentait en 2019 que 0,1% de la production mondiale d’hydrogène, du fait d’un coût relativement prohibitif en comparaison des autres modes de production, un kg d’hydrogène revenant entre 3 et 12€ pour sa seule production (hors coût de transport, de distribution…).

Pour permettre le déploiement à grande échelle d’un « hydrogène vert », l’électrolyse à partir d’une source d’énergie renouvelable fait partie des voies d’avenir de la filière, et c’est clairement l’une des voies tracées par le plan de relance de 2020, pour faire de la France et de l’Europe des champions de la production d’hydrogène « vert ».

Une pile à combustible est faite de métal, de graphite, d’électrodes et son processus est effectivement chimique. Le système REXH₂® conçu par EODev s’appuie sur la technologie de pile à combustible Toyota. Le système de pile à combustible Toyota a déjà prouvé ses avantages pendant de nombreuses années dans la Mirai, mais plus récemment aussi dans d’autres applications telles que les bus et les camions. Son utilisation pour le transport maritime est à nouveau un pas de plus vers le développement de la société de l’hydrogène.