Hydrogène

On pense que l'hydrogène est l'un des trois éléments produits dans le Big Bang. L'hydrogène peut être trouvé dans les étoiles qui l'utilisent comme carburant pour produire de l'énergie et dans les espaces «vides» entre les étoiles. Nous devons la majeure partie de l’énergie de notre planète à l’hydrogène, car le processus de fusion nucléaire du Soleil convertit l’hydrogène en hélium, libérant de grandes quantités d’énergie.

Sur Terre, il n'existe généralement pas par lui-même dans la nature et doit être produit à partir de composés qui le contiennent, par exemple à partir d'eau (H2O). La seule exception est un très petit pourcentage qui existe dans l’atmosphère terrestre. Ce pourcentage réduit est dû à sa faible densité ; la gravité de la Terre n’est pas capable de le retenir et il flotte dans l’espace. Le débit massique perdu est d'environ 95 000 tonnes d'hydrogène par an.

L'hydrogène est un gaz à température ambiante, mais se transforme en liquide à une température de -252,8 ˚C, et d'un liquide en solide à -259,2 ˚C. Environ 10% du poids des organismes vivants est constitué d'hydrogène - principalement de l'eau, des protéines et des graisses.

L'électrolyse est un procédé permettant de fabriquer de l'hydrogène pour la production d'électricité décarbonée à partir de l'eau. Ses principes sont enseignés depuis longtemps dans les écoles : il s'agit de mobiliser un courant électrique pour décomposer une molécule d’eau (H₂O) en hydrogène (H₂) et oxygène (O₂) gazeux. Plus précisément, l’eau est injectée au niveau de l’électrode positive (anode) où elle est d’abord décomposée en oxygène, en ions H+ et en électrons. Les ions H+ migrent ensuite vers l’électrode négative (cathode) où ils se recombinent avec des électrons pour former de l’hydrogène. La membrane sert à laisser migrer les protons tout en bloquant les électrons pour faire circuler ces derniers jusqu’à l’anode.

Pour qu'il soit renouvelable, il faut que l'électricité qui a servi à générer la réaction chimique de séparation des molécules soit elle-même issue d'ENR, à savoir le solaire, l'éolien ou l'hydro-électricité.

L’hydrogène peut être stocké sous forme gazeuse dans des réservoirs cylindriques sous pression, le plus souvent à 200 bars pour des usages industriels, ces réservoirs étant ensuite montés sur des racks pour faciliter leur transport en quantité. Dans l'automobile, les réservoirs actuels autorisent une compression jusque 700 bars. Pour les bus et les camions, comme dans le maritime, le standard actuel est un stockage à 350 bars, mais il est possible d'aller jusque 700 bars, et même au-delà, dans des réservoirs adaptés. Plus la compression est importante, plus le volume d'hydrogène stocké dans un même espace est important. Cependant, la capacité de stockage ne double pas tout à fait si on double la pression, car les parois des réservoirs, généralement en composite, sont alors plus épaisses pour supporter ces hautes pressions.

Un autre procédé de stockage consiste à rendre l'hydrogène liquide. Pour ce faire, il est nécessaire de le porter à -253°C et de maintenir cette température, ce qui nécessite beaucoup d'énergie. L'intérêt de l'hydrogène liquide réside dans le faible volume occupé en comparaison de l'énergie dont il est le vecteur. Cependant, cette solution ne présente d'intérêt que lorsque l'usage de l'hydrogène pour alimenter une pile à combustible est aussi continu que possible : l'hydrogène utilisé pour alimenter la pile provient de ce qu'on appelle le "boil off", c'est-à-dire le passage de l'hydrogène liquide à l'état gazeux lorsqu'il se réchauffe et devient très volatile.

Il existe d'autres procédés de stockage plus ou moins matures technologiquement, qui permettent de stocker l'hydrogène à température et pression ambiantes en utilisant des réceptacles qui vont emprisonner les molécules d'hydrogène avant de les libérer selon les besoins. Ces solutions, chimiques, portent le nom de LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier). Il existe aussi des solutions de stockage à base d'hydrures métalliques, inorganiques, dont l'objectif est similaire, permettre de résoudre les problématiques de pression et volume du stockage d'hydrogène, la difficulté étant de limiter la quantité d'énergie nécessaire aux procédés pour ne pas perdre trop de rendement énergétique sur l'ensemble de l'opération de stockage.

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".

Il est inépuisable : Sur Terre, la source la plus abondante d’hydrogène est l’eau. Lors des processus d’électrolyse et de conversion électrochimique via la pile à combustible, les seuls rejets sont de l’oxygène et de la vapeur d’eau. Sa disponibilité est donc infinie.

Il est plein d'énergie : Bien que sa masse volumique soit très faible, ce qui oblige à le compresser ou à le liquéfier, l’hydrogène présente une densité énergétique exceptionnelle : 1kg d’hydrogène libère 4,1 fois plus d’énergie qu’1kg de charbon, 2,8 fois plus qu’1kg d’essence et 2,4 fois plus qu’1 kg de gaz naturel.

Il est le meilleur allié des énergies renouvelables : L’hydrogène permet de stocker à long terme les surplus d’énergies renouvelables pour pouvoir les réutiliser plus tard.

Il est léger : Malgré un rendement théorique moins élevé que le stockage batterie, le stockage hydrogène s’avère être jusqu’à 10 fois plus léger. Cette légèreté permet d’économiser du volume et de réduire la masse nécessaire à ce stockage d'énergie, même en tenant compte de la masse des réservoirs destinés à le stocker. C'est pourquoi l'hybridation pile à combustible - batteries prend tout son sens lorsque l'autonomie d'un moyen de transport est un objectif essentiel, sur terre comme en mer. C'est pourquoi le passage à l'hydrogène connaît, en particulier, un développement important pour la mobilité dite lourde, comme les trains, les bus, les camions et les bateaux, qui sont de gros consommateurs de carburant et ont besoin tout autant de puissance que de couvrir de longues distances avec un seul plein d'énergie.

Il est propre : Lorsqu'elle est issue de sources renouvelables, la production d'hydrogène est neutre en carbone. Son utilisation via une pile à combustible n’émet ni CO2, ni Nox, ni particule fine. La pile ne rejette que de l'eau, totalement déminéralisée, et de la chaleur. On peut même constater que l'air ambiant utilisé par la pile pour réaliser la réaction chimique ressort bien plus pur qu'il n'y est entré, car il a été filtré en amont du procédé.

Il se recharge rapidement : Dans le secteur de la mobilité, il est possible de faire le plein en quelques minutes contre plusieurs heures pour son équivalent batterie. Un atout de poids pour la mobilité électrique de demain.

Lors de l'électrolyse de l'eau, on sépare les molécules d'hydrogène des molécules d'oxygène. La pile à combustible procède à l'inverse, et va utiliser l'oxygène de l'air et l'hydrogène, dont elle capture les électrons lors de la réaction chimique, avant qu'ils soient transformés en électricité. Le principe d'un groupe électro-hydrogène est de pouvoir remplacer un groupe électrogène diesel pour alimenter un moteur électrique, pour des usages liés à la mobilité, ou fournir directement de l'électricité décarbonée pour tout autre usage. On ne parle donc pas de moteur à hydrogène, même si la possibilité de faire fonctionner des moteurs thermiques avec de l'hydrogène, en partie, existe aussi, et que des développements de moteurs à combustion interne ne fonctionnant qu'à l'hydrogène ont également cours. Dans l'essentiel des innovations actuelles, c'est la production d'une électricité décarbonée via la combinaison "hydrogène + pile à combustible" qui est visée, à la fois comme alternative aux carburants fossiles et pour pallier aux inconvénients de batteries lourdes et chères.

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.

Pour parvenir à des émissions nulles d'ici 2050, il faudra recourir à un large éventail de technologies et transformer le système énergétique. Efficacité énergétique, changement de paradigmes, énergies renouvelables et nouvelles technologies devront être au rendez-vous.

Déjà largement plébiscité pour ses avantages certains et soutenu par de nombreux états qui investissent les uns après les autres dans l’hydrogène pour en démocratiser les usages et atteindre leurs objectifs bas-carbone dans les années à venir, l'hydrogène représente une réelle opportunité pour accélérer la transition énergétique.