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.

Une pile à combustible est un appareil qui convertit l’énergie chimique (énergie stockée dans les liaisons moléculaires) en énergie électrique. Une cellule PEM (Proton Exchange Membrane) utilise de l’hydrogène gazeux (H2) et de l’oxygène gazeux (O2) comme carburant. Les produits de la réaction dans la cellule sont l’eau, l’électricité et la chaleur. Comme l’O2 est facilement disponible dans l’atmosphère, il suffit d’alimenter la pile à combustible en hydrogène qui peut provenir d’un processus d’électrolyse.

Une pile à combustible fonctionne en faisant passer de l’hydrogène à travers l’anode d’une pile à combustible et de l’oxygène à travers la cathode. Au site anodique, les molécules d’hydrogène sont divisées en électrons et protons. Les protons traversent la membrane électrolytique, tandis que les électrons sont groupés à travers un circuit, générant un courant électrique et un excès de chaleur. À la cathode, les protons, les électrons et l’oxygène se combinent pour produire des molécules d’eau.

Les piles à combustible sont modulaires. Cela signifie que les cellules individuelles sont reliées les unes aux autres pour former de plus grandes piles, et à leur tour ces piles peuvent être combinées dans des systèmes plus grands. Les systèmes de piles à combustible varient considérablement en taille et en puissance, des systèmes portables pour recharger la batterie des smartphones, aux remplacements de moteurs à combustion pour les véhicules électriques, en passant par les installations à grande échelle de plusieurs mégawatts fournissant de l’électricité directement au réseau de distribution.