La course à l’hydrogène, oui, mais vert !

L’hydrogène, un gaz universel et inépuisable

Dans son ouvrage L’économie hydrogène paru en 2002, Jeremy Rifkin décrit ainsi le premier élément du tableau périodique de Mendeleïev, H :

“L’hydrogène (H) est l’élément le plus léger, le plus simple et le plus répandu dans l’univers. Exploité sous forme d’énergie, il devient combustible éternel. Inépuisable, il est aussi non polluant, puisqu’il ne contient pas un seul atome de carbone. On le trouve dans tous les milieux, solide ou liquide, et il entre dans la composition des combustibles fossiles et des êtres vivants. Il n’existe toutefois que rarement à l’état pur et doit être extrait de sources naturelles. Les fondations de ce que nous pouvons appeler l’économie hydrogène sont déjà là, sous nos yeux.”

Pour se rendre compte de l’ampleur du sujet, rappelons que le soleil est constitué à 75% d’hydrogène et 25% d’hélium, et que c’est la fusion entre ces deux éléments qui crée la si précieuse énergie solaire, qui arrive ensuite sur Terre pour en iradier sa flore et sa faune, et que nous exploitons aujourd’hui pour produire de l’électricité via nos panneaux solaires. Universellement répandu, inépuisable et non carboné, l’hydrogène représente donc une véritable révolution en puissance pour le système énergétique mondial.

Mais sur Terre, ce gaz n’existe que très peu à l’état pur, que ce soit sous la croûte terrestre, dans les océans ou dans l’atmosphère, et n’est donc pas directement exploitable. Le premier défi de l’énergie produite à partir d’hydrogène vert est donc d’aller le chercher, et ce avec des moyens respectueux de l’environnement !

Premier défi : une extraction plus verte

Aujourd’hui, 95% de l’hydrogène utilisé dans le monde est extrait à l’aide de procédés mobilisant des énergies fossiles : du charbon, du gaz ou du pétrole. Les 60 millions de tonnes d’hydrogène pur produites chaque année donnent ainsi lieu à l’émission par ailleurs de plus de 800 millions de tonnes de CO2, c’est à dire 2,5 fois les émissions totales de la France. On est donc loin pour l’instant de pouvoir parler d’une énergie verte !

Pour en faire un vecteur énergétique propre, le premier enjeu est de pouvoir produire de l’hydrogène pur via des énergies non carbonées et renouvelables. Les deux principales pistes actuellement à l’étude sont l’électrolyse de l’eau et la thermolyse de la biomasse.

L’eau est composée de molécules d’hydrogène et d’oxygène.

L’électrolyse consiste à casser une molécule d’eau (H2O) pour en extraire du dihydrogène (H2) et du dioxygène (O2). Cette méthode est la plus aboutie pour produire de l’hydrogène sans émettre de dioxyde de carbone (CO2), mais elle coûte encore assez cher, car son rendement énergétique est faible, c’est-à-dire qu’elle nécessite plus d’énergie qu’il n’en faut pour casser une molécule de gaz naturel par exemple. La concurrence internationale pour développer des hydrolyseurs verts bat néanmoins son plein et le coût de l’électrolyse de l’hydrogène a baissé de près de 60% au cours de la dernière décennie, ce qui lui promet encore de belles perspectives.

Dans son ambitieuse stratégie pour l’hydrogène présentée en juillet 2020, la Commission Européenne soutient le passage de la recherche à l’industrialisation dans le secteur de l’hydrogène. Si la Chine est en tête pour l’électrolyse alcaline, moins coûteuse, l’Europe est toujours bien placée dans les domaines de l’électrolyse à protons et à hautes températures, plus robustes. En France, le gouvernement a présenté début septembre 2020 le volet hydrogène de son plan de relance, avec un investissement de 7,2 milliards d’euros d’ici à 2030 pour permettre de développer d’une production nationale d’hydrogène « vert » rentable.

Concernant l’hydrogène issu de la biomasse, des projets pilotes sont en cours pour décentraliser la production de ce gaz dans les territoires, en utilisant de la biomasse issues des forêts ou de l’agriculture locale. La thermolyse consiste à chauffer la biomasse puis à porter à haute température le gaz obtenu pour en extraire l’hydrogène tout en capturant le carbone. Une première unité de production industrielle devrait commencer à produire des pièces pour fabriquer des hydroliseurs dans le Haut-Rhin dès 2023.

Mais en ce début des années 2020, produire de l’hydrogène “vert” coûte jusqu’à 5 € le kilo avec l’électrolyse, soit trois fois plus cher que de l’hydrogène “gris” issu des énergies fossiles (1,5 € le kilo à partir du gaz naturel). Entre les deux, l’hydrogène “bleu” qui inclut la capture du carbone mais reste un sous-produit des énergies fossiles, se négocie à 2,50 € par kilo. Le professeur et expert en économie du climat Christian de Pertuis préconise la création d’une taxe carbone à 100€ la tonne de CO2 pour que l’hydrogène vert puisse être compétitif. Cela devient une affaire de politique !

Deuxième défi : le stockage de l’hydrogène

Comme le soulignait en 2019 M. Paul Tournoux, ingénieur et expert en énergie, fondateur de l’association Hydrogen Suffren, un des grands enjeux de l’hydrogène est le stockage. Ce gaz est en effet très inflammable et extrêmement léger, onze fois plus léger que l’air que nous respirons ! Ainsi, dans des conditions normales de pression atmosphérique, il occupe un volume très élevé. L’hydrogène est donc extrêmement difficile à stocker ou transporter, bien plus que le gaz naturel.

L’histoire de l’hydrogène, utilisé dès la fin du XVIIIème siècle comme gaz pour gonfler les ballons dirigeables, est notamment marquée par le fameux accident du zeppelin allemand Hindenberg, dont le chargement d’hydrogène prit feu en plein vol en 1937 dans le New Jersey aux Etats-Unis. La sécurisation du transport d’hydrogène est un élément véritablement clé pour l’utilisation de ce gaz, or il a un coût technique et financier élevé.

L’incendie de l’hydrogène contenu dans le ballon dirigeable Hidenberg en 1937.

Pour le stocker et le transporter efficacement, il faut fortement réduire son volume en augmentant sa densité. Pour cela, plusieurs techniques de stockage sont utilisées aujourd’hui par les entreprises du secteur : à haute pression sous forme gazeuse, à très basse température sous forme liquide ou à base d’hydrures (l’anion d’hydrogène H-) sous forme solide. Ceci nécessite des réservoirs très résistants et donc particulièrement lourds.

Troisième défi : l’utilisation comme énergie renouvelable

Dès les années 1970, l’hydrogène est envisagé comme une alternative au pétrole. La NASA utilise des piles à combustible pour produire de l’électricité à partir de ce gaz dans ses premiers satellites habités, remplacées par la suite par des panneaux photovoltaïques plus économiques.

Aujourd’hui, une infime partie de l’hydrogène produit dans le monde est utilisé comme source d’énergie. Il est principalement destiné aux raffineries pour sulfurer le pétrole ou fabriquer des engrais à partir d’ammoniac… Pas très écologique donc.

Pourtant, selon Christian de Pertuis, la vertu de l’hydrogène est qu’il permet d’intégrer facilement des sources d’énergies renouvelables intermittentes avec des besoins énergétiques finaux qui sont multiples : dans la mobilité, l’industrie, le chauffage, etc. Quand il y a un surplus de production d’électricité solaire, éolienne ou hydraulique, il est possible de l’utiliser pour l’électrolyse et donc la production d’hydrogène vert, que l’on peut stocker puis utiliser à son tour comme énergie quand il y a une baisse de production par les énergies intermittentes ou pour de nouveaux usages.

Côté utilisations directes, les innovations sont nombreuses, principalement dans la mobilité où les enjeux environnementaux sont considérables, notamment concernant les voitures, bus, camions, bateaux et même avions très émetteurs de CO2. Un exemple intéressant est celui des voitures électriques à pile à combustible hydrogène. 5 kg de ce gaz dans une pile embarquée permettent de faire rouler un véhicule sur plus de 500 km, ce qui est très intéressant concernant l’autonomie du véhicule. Et l’avantage est que cela ne rejette que de l’eau et n’émet donc pas de pollution locale, pas de CO2 ni de particules fines ! Les constructeurs automobiles coréens et japonais, soutenus par leurs gouvernements, sont pionniers dans le secteur, en réaction à des pollutions urbaines très visibles.

Alstom lance ses premiers trains fonctionnant à l’hydrogène en Allemagne.

Dans son plan Hydrogène présenté en juillet 2020, la Commission Européenne prévoit de passer à 14% d’hydrogène dans la consommation finale d’énergie de l’UE d’ici fin 2050, contre moins de 2% aujourd’hui. L’Allemagne est pionnière en la matière, qui mise sur ce gaz pour accélérer sa transition d’un mix énergétique très carboné et nucléaire, vers les énergies renouvelables. La Norvège et la Suède s’intéressent quant à elles au développement de l’hydrogène pour la fabrication d’un acier primaire décarboné dans la sidérurgie.

Quatrième défi : la sobriété énergétique

L’hydrogène comme source d’énergie verte a donc un avenir prometteur, mais chez Octopus Energy nous aimons bien rappeler que la meilleure énergie est celle que nous ne consommons pas ! Au delà des sources d’énergie et des innovations technologiques, chacun doit s’impliquer pour une plus grande sobriété énergétique, et remettre en question ses modes de déplacement – pour privilégier les mobilités douces comme le vélo ou les transports en commun – et de consommations – dans nos bâtiments et nos modes de vie. Pour vous accompagner dans cette voie, retrouvez toutes nos astuces et éco-conso pour consommer moins, mais mieux !