Hydrogène, autonomie et transition énergétique

On parle beaucoup d’hydrogène comme d’une énergie fantastique: ce serait un carburant qui, lorsqu’il est utilisé, ne libère que … de l’eau. Mieux, on n’aurait besoin, pour le produire, que d’électricité et … d’eau. La parfaite économie circulaire ! Cette production permettrait en outre d’absorber les variations des énergies intermittentes, viabilisant ces dernières. Merveilleux non ?

La réalité est évidemment beaucoup plus complexe et moins enthousiasmante.

Tout d’abord, l’hydrogène n’est pas vraiment une nouveauté: on en utilise 70 millions de tonnes par an, quantité dont la production émet 6% des émissions globales de gaz à effet de serre … S’agissant de l’électrolyse de l’eau, c’est un procédé qu’on connait depuis plus d’une centaine d’année et dont le principal problème est qu’il consomme beaucoup d’électricité : il faudrait 3 600Twh pour produire l’équivalent en hydrogène de ce qu’on consomme comme pétrole. C’est plus que la production d’électricité de toute l’Europe. De plus, l’électricité mondiale est encore très carbonée et transformer l’électricité en hydrogène, puis en électricité a un mauvais rendement, de l’ordre de 25%. Il vaut mieux rouler au diesel qu’avec un tel carburant …

Néanmoins, il y a plusieurs bonnes raisons pour estimer que l’hydrogène devrait tout de même avoir une place importante dans la transition énergétique. Je vous propose ici la synthèse de mes recherches, que j’ai documentées plus exhaustivement sur ce site.

  1. Nous commencerons par fait un petit état des lieux de l’hydrogène, pour rappeler des éléments importants sur l’histoire, la production, l’utilisation et la logistique de l’hydrogène.
  2. Nous verrons ensuite les perspectives pour l’utilisation et le stockage de l’hydrogène.
  3. Enfin, nous verrons la problématique cruciale de l’hydrogène, sa production.

Je concluerai sur les implications opérationnelles de tous ces éléments

[Attention, c’est une synthèse temporaire, que j’approfondirai petit à petit. Si vous notez une erreur, n’hésitez pas à me la signaler.]

Etat des lieux de l’hydrogène

Retour sur l’histoire de l’hydrogène

Le dihydrogène a déjà été utilisé dans le transport il y a plus d’une centaine d’année. « Découvert » en 1776 par Sir Henry Cavendish, l’H2 a été utilisé pour faire flotter les ballons dirigeables « Zeppelins » à partir de 1900. Transports aériens grands luxe, ils permettaient de traverser l’Atlantique bien plus vite qu’en bâteau. Néanmoins, le 6 mai 1937, le zeppelin Hindenburg, un mastodonte de plus de 240m de long, explosa en atterrissant à Lakewood le 6 mai 1937. Ce crash ancra l’image d’un gaz extrêmement dangereux. Des prototypes de voitures à hydrogène émergeront, d’abord en utilisant l’H2 comme combustible. Toutefois, c’est resté au stade expérimental.

Le « vrai » début de l’H2 a été comme composant pour la production d’engrais par le procédé Haber-Bosch découvert en 1909. En mobilité, son seul usage notable a été dans le domaine spatial: on utilise de l’hydrogène liquide pour propulser les fusées et des piles à combustibles pour produire de l’oxygène.

Il ya eu plusieurs moments où l’hydrogène est devenu à la mode et où d’importants financement ont été dédiés à son développement. D’abord, dans les années 70, avec les chocs pétroliers. Puis, dans les années 90 et le début des années 2000, qui ont vu naître les premiers prototypes de voitures à hydrogène, sans qu’il y ait de suites. L’intérêt renaît depuis quelques années (2012?) et va croissant: l’Etat français a annoncé investir plus de 7 milliards d’euros dedans, l’Allemagne 9 milliards …

Pour approfondir, vous pouvez consulter notre article sur l’histoire de l’hydrogène.

Une utilisation massive et essentielle

Nous consommons déjà des quantités massives d’hydrogène: 74 millions de tonnes d’hydrogène pur et 45 millions de tonnes mélangé à d’autres gaz.

  • 33% est utilisé pour la raffinerie du pétrole,
  • 27% est utilisé pour la production d’ammoniac (pour faire de l’engrais)
  • 11% est utilisé pour la production de méthanol. (IEA 2019)

Ces productions sont absolument essentielles: je ne pense pas avoir besoin de rappeler la place centrale du pétrole dans nos économies, la moitié de l’alimentation mondiale dépend de l’utilisation d’engrais de synthèse et le méthanol est un composant important en chimie.

[Réserve: il me semble qu’il y a un biais dans ces chiffres : il me semble qu’ils incluent des production / consommation comme ce que font les cokeries: elles produisent de l’H2 et le brulent immédiatement. Je ne pense pas qu’assimiler ces pratiques à, par exemple, l’H2 produit pour produire de l’engrais soit pertinent]

Une production très carbonée et difficile à modifier

La production d’hydrogène est pourtant dans une très large mesure (>95%) produite par des moyens très polluants: le vaporéformage du méthane et la gazéification du charbon. Ils libèrent respectivement >10 et >20kg de CO2 par kg d’H2 produit. Ils peuvent être profondément imbriqués dans les procédés industriels, il pourra donc être difficile de les remplacer (c’est notamment le cas pour le vaporéformage associé à la production d’engrais).

La logistique actuelle

Je n’ai pas de chiffre là dessus, mais il ressort de mes discussions que le transport d’hydrogène est extrêmement limité: il est essentiellement produit sur place ou bien très près. Vous avez déjà plusieurs milliers de kilomères de gazoducs sur quelques zones (1 600km en Flandres et 2500km aux Etats-Unis). On maîtrise également la compression jusque 700 bars.

Les perspectives pour l’utilisation et la logistique de l’hydrogène

Les principales perspectives pour l’hydrogène sont la décarbonation de procédés non électrifiables. Pour la logistique de l’hydrogène, même s’il y a des innovations, il n’y a rien qui semble proche de révolutionner le secteur. La principale piste est ce qu’on fait actuellement: l’hyperlocalisation.

La décarbonation des usages non-électrifiables

En effet, la principale piste pour développer la production d’hydrogène est l’électrolyse. Or, autant utiliser l’électricité directement si on peut … Il y a trois pans principaux : la production d’acier, la chaleur critique et la mobilité lourde.

Production d’acier: la réduction du minerai de fer (DRI-EAF)

La production d’acier représente 7.6% des émissions mondiales de CO2. La principale raison en est le procédé de réduction du minerai de fer. En effet, à l’état naturel, on le trouve sous forme oxydée (hématite) et il faut en retirer l’oxygène pour le travailler. Le procédé actuel, en hauts fourneaux, consiste à projeter du carbone solide (coke) pour « attraper » l’oxygène et faire du CO2 … L’idée serait de remplacer cette action par l’hydrogène (ce qui donne de l’eau H20), ce qui permettrait de réduire drastiquement le poids écologique de l’acier. Pour aller plus loin, vous pouvez consulter notre article sur l’hydrogène pour décarboner la production d’acier.

La chaleur critique

Il est difficile de produire de hautes températures dans l’industrie autrement qu’avec des énergies fossiles. C’est un usage où l’hydrogène pourrait participer à remplacer le méthane. C’est notamment ce qui est envisagé pour la production de clinker, l’élement principal du ciment, qui demande des températures supérieures à 1400°C. On peut déjà remplacer une partie du gaz par de la biomasse et des déchets, mais cela ne suffit pas. L’hydrogène permet de remplacer le reste du méthane. Pour aller plus loin, vous pouvez consulter notre article sur la décarbonation du ciment par l’hydrogène.

La mobilité lourde

Les véhicules électriques à batterie sont de plus en plus répandus. Toutefois, les batteries ne sont pas viables pour certains véhicules lourds: elles ne contiennent pas assez de puissance par unité de poids. En outre, le temps de rechargement peut être un obstacle, par exemple si le véhicule doit être constamment en mouvement. L’hydrogène est donc envisagé pour décarbonner la mobilité lourde (poids lourds, bâteaux, avions …). Notez que les batteries progressent beaucoup: il y a déjà des bus électriques en fonctionnement et il ne serait pas aberrant de voir des poids lourds électriques.

L’hydrogène pour stocker l’énergie

Enfin, le dernier usage principal pour l’hydrogène est le stockage d’énergie pour lisser la production d’énergies intermittentes. Toutefois, il y a deux obstacles majeurs.

D’une part, cela aboutirait à utiliser des équipement couteux une petite partie du temps, ce qui n’est pas viable économiquement. [c’était dans le rapport RTE, mais je n’ai pas été voir le calcul, qui pourrait être intéressant: est-ce que ce serait encore vrai dans une période avec une forte inflation ?]

D’autre part, il y a beaucoup de pertes: vous perdez 30% de l’électricité pour l’électrolyse, 10% pour la compression, 30% pour la pile à combustible … au final le rendement global est de 25-30% … Ce point pourrait être traité par deux innovations : l’électrolyse haute température, qui a des rendements supérieurs à 90%, et le stockage sous forme d’hydrudres de magnésium (qui a aussi un très bon rendement). Toutefois, ces technologies sont encore en développement et le premier point reste problématique: ça couterait trop cher. Peut-être que le progrès technologique pour l’électrolyse permettra de suffisamment baisser le coût des électrolyseurs pour rendre cela viable. RTE n’est pas optimiste:

En revanche, ni la maturité technique et économique de cette solution, ni les caractéristiques du mix électrique à moyen terme, ne conduisent à en envisager le déploiement autrement que sous la forme de démonstrateurs au cours des dix prochaines années en France métropolitaine.

RTE, La transition vers un hydrogène bas carbone, 2020, p.19

Les perspectives pour la logistique de l’hydrogène

La logistique de l’hydrogène est un problème infernal pour deux raisons: c’est la molécule la plus petite et avec la densité volumique la plus faible (il faut 11 000 litres pour contenir 1kg!). Cerise sur le gâteau: elle corrode l’acier … On comprend mieux pourquoi elle est souvent produite là où elle est consommée … Niveau innovations, s’il y en a qui sont faites, mais au final ce sont de vieilles recettes qui semblent les plus viables à court / moyen terme.

Les nouvelles méthodes de stockage: hydrures et cavités salines

On peut stocker l’hydrogène « dans » (ou sur) des molécules: c’est le principe des hydrures. Dans certaines conditions l’hydrogène est absorbé et, dès que ces conditions changent, il est rejeté. Les matériaux utilisés peuvent être très courants, comme le magnésium pour McPhy et Powerpaste et le silicium pour HySiLabs. Il y a deux soucis: le poids (en général, le dispositif est en général très lourd) et l’énergie nécessaire au maintien desdites conditions. Elles sont envisagées pour le stockage stationnaire, mais il ne me semble pas qu’il y ait actuellement d’application dont la viabilité à grande échelle a été démontrée.

S’agissant des cavités salines, il s’agit de créer artificiellement une cavité en injectant de l’eau dans un gisement de sel. Ce dernier se dissous, laissant un creux dans lequel on peut placer du gaz. La pratique est déjà courante pour le stockage de gaz naturel: il y a 170 cavernes salines utilisées à cette fin en Allemagne. Le gros avantage de cette démarche est l’étanchéité du dispositif, les parois étant couvertes de cristaux salins. Le sel ne réagirait pas avec l’hydrogène et il y aurait peu de pertes liées aux micro-organismes. Il y a plusieurs sites qui existent déjà (3 aux US, 1 au Royaume-Uni et 1 en France), mais cela reste expérimental. Idem pour les autres méthodes de stockage souterrain d’hydrogène.

Pour aller plus loin, vous pouvez consulter notre article sur le stockage d’hydrogène.

Les pistes privilégiées: gazoducs ou hyperlocalisation

Les industriels du gaz ont proposé un plan, « European Hydrogen Backbone », consistant à permettre à des gazoducs de transporter de l’hydrogène. Cela représenterait un investissement de 43 à 81 milliards d’euros pour 39 700km d’hydrogénoducs. Le prix serait de 0.11-0.21€ par kg d’hydrogène sur 1000km. Ces chiffres sont fournis par des industriels qui ont intérêt à vendre cette solution, donc je m’en méfie un peu. Il faudrait creuser et comparer aux alternatives (cela reste une somme considérable).

Reste que, le plus pertinent reste clairement le fait de produire là où on consomme ou non loin. Le problème de vient alors la production d’hydrogène: peut-elle être décentralisée ? Plus largement, la production est vraiment le gros problème de l’hydrogène.

Les perspectives pour la production d’hydrogène: le nerf de la guerre

Reste le principal problème de l’hydrogène: son mode de production. Comment produire de l’hydrogène décarbone alors que l’électricité européenne est lourdement carbonée ?

La captation carbone

On pourrait adapter les installations actuelles de gazéification et de vaporéformage avec de la capture de carbone. C’est une piste défendue par William J.Nuttall et Adetokunboh T.Bakenne dans Fossil Fuel Hydrogen, Technical, Economic and Environmental Potential et qui apparait très crédible à travers le rapport de l’IEA « Future of Hydrogen » (2019).

Néanmoins, il y a deux problèmes: le méthane et le charbon libèrent, lors de leur extraction et de leur transport, des quantités importantes de gaz à effets de serre (c’est un point développé par Le Reveilleur) et la capacité de stocker durablement le carbone semble encore discutable. Mais en même temps il semble qu’on ait déjà un retour d’expérience avec certaines installations pétrolières, qui captent le carbone et le réinjectent dans le puit pour extraire le maximum de pétrole.

C’est un point que je n’ai pas assez approfondi, mais je doute pas mal de la viabilité de cette piste (le problème des fuites lors du transport est très sérieux).

L’électrolyse haute température

Les méthodes d’électrolyse actuelles (alcaline et PEM) ont un rendement de l’ordre de 60-70%. L’électrolyse haute température, une sorte d’électrolyse à oxydes solides, promet elle des rendements supérieurs à 95%. Elle serait, en outre, contrairement à l’électrolyse PEM, elle ne serait pas composée de métaux nobles et, contrairement à l’électrolyse alcaline, elle supporterait les changements d’intensité brutaux. L’entreprise française Genvia travaille à industrialiser cette solution.

Toutefois, même avec cette promesse merveilleuse, la production d’H2 par électrolyse souffre d’un problème considérable: l’électricité européenne est lourdement carbonée. Si on peut faire de l’électrolyse, pourquoi, à la place, ne pas limiter l’activité des centrales au charbon ?

Il faut environ 52kWh pour faire 1kg d’H2. L’électricité produite à l’aide charbon libérant 820g de CO2 par kWh produit (490 pour le gaz), 1kg d’H2 produit avec un rendement de 100% pourra représenter 42.64kg de CO2 émis. Soit deux fois plus ce qui se fait avec la gazéification du charbon et 3-4 fois plus que pour le vaporéformage du méthane.

On pourrait dire qu’il n’y a qu’à le produire en circuit fermé, avec de l’électricité renouvelable. Certes, sauf que ce qui compte, ce n’est pas l’électricité qui rentre dans l’électrolyseur, mais son impact objectif. Elle aurait pu, au lieu de faire de l’hydrogène, remplacer l’électricité produite par une centrale au charbon en Pologne. (rq: il pourrait être intéressant de vérifier si les choses sont aussi fluides que cela) Le bilan carbone serait donc encore le même. A partir du moment où l’électricité est éuropéenne, il faut compter à l’échelle de l’Europe.

Ensuite, la question est aussi politique:

– Oui. […] La question est très pertinente et va se poser. Mais il est clair, RTE [le mentionne] dans ses études, que sur un plan global de décarbonation, il est probable qu’il est plus intéressant d’exporter de l’électricité produite par le nucléaire français vers l’Allemagne plutôt que d’en faire de l’hydrogène. Sauf que des boites comme Daimler, BMW ou Volvo commencent à dire « moi, dans peu de temps, je n’achèterai que de l’acier fait proprement ». Donc si l’électricité part en Allemagne pour aller décarboner la sidérurgie allemande et pas pour décarboner la sidérurgie française, c’est l’acier allemand qui se vendra et pas l’acier français.

Philippe Boucly, président de France Hydrogène

La pyrogazéification / thermolyse de biomasse

A ce stade, on est dans une impasse: on voit que l’hydrogène pourrait être une partie extraordinaire de la transition énergétique, mais ça coince, il n’y a pas assez d’électricité décarbonée. Toutefois, il y a quelque chose qui pourrait tout changer: la pyrogazéification / thermolyse de biomasse.

L’idée est de chauffer progressivement de la biomasse pour qu’elle libère l’hydrogène (et divers composants) présent, de sorte qu’il ne reste qu’un résidu carboné (solide en principe, le biochar, ou liquide). Ainsi, non seulement vous utilisez une matière qui a absorbé du CO2 (on est dans la logique de neutralité carbone du biogaz), mais en plus une partie de ce carbone reste fixée après l’opération. Le procédé peut déjà être carbone-négatif, selon la quantité du résidu. Ainsi, Hynoca, l’un des procédés les plus avancés annonce capter l’équivalent de 12 kg de CO2 par kg d’hydrogène produit. Lorsque la capture de carbone (CCUS) sera au point, on pourra faire encore mieux.

Second point fort, ce procédé permettrait de valoriser des biomasses qui ne le sont actuellement pas, comme certains résidus de scierie ou encore des déchets agricoles (ce qui permettrait par exemple de valoriser les nombreux déchets agricoles en Cote d’Ivoire, notamment ceux issus de la production de cacao). Ce procédé n’est donc pas simplement génial, il aurait en plus un impact économique très positif, irriguant des secteurs importants pour la transition écologique (la foresterie et l’agriculture).

Pour aller plus loin, vous pouvez consulter notre article sur la pyrogazéification ou thermolyse de biomasse.

Conclusion: une brique indispensable de la transition énergétique

L’hydrogène permettrait de tacler radicalement les émissions de gaz à effet de serre: la production d’acier, la mobilité lourde, la chaleur critique … on arriverait facilement à 15-20% du total … Si sa production était décarbonée …

La production d’hydrogène actuelle a un énorme problème: elle est très carbonée et on ne dispose actuellement d’aucune méthode pour produire de l’hydrogène réellement vert, parce qu’on n’a pas assez d’électricité bas carbone en Europe. C’est évidemment une filière qu’il faut développer, parce qu’elle est réellement durable et est la seule alternative au méthane (dont il va falloir de plus en plus apprendre à se passer vu les relations avec la Russie) et qu’on a de toute façon besoin de plus d’électricité. C’est un atout en terme de souveraineté: centrale nucléaire + électrolyseur = hydrogène décarboné. Reste qu’il s’agit d’un frein puissant qui limite largement l’intérêt écologique de la démarche. L’hydrogène montre à quel point l’écologie a pris du retard à cause du mouvement antinucléaire. Avec une électricité abondante, l’électrolyse aurait été une évidence et le transport une formalité: on aurait produit sur le lieu d’usage.

Il y a toutefois une technologie qui pourrait changer cela: la pyrogazification / thermolyse de biomasse. Des prototypes ont déjà réussi, il reste à passer à l’échelle …

Pour aller plus loin, je vous encourage à lire:

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