Hydrogène, innovation et écologie

L’hydrogène porte une promesse fantastique : 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 ! C’est néanmoins une vision extrêmement réductrice de la réalité.

Tout d’abord, ce n’est pas nouveau, l’électrolyse ayant été inventée en 1800. On parle même d’économie hydrogène (= basée sur l’hydrogène comme carburant) depuis les années 70 ! Ensuite, si l’hydrogène n’est actuellement presque pas utilisé pour la mobilité, il s’en utilise tout de même environ 90 millions de tonnes chaque année ! Il est utilisé pour des choses fondamentales: la production d’engrais et la raffinerie de produits pétroliers.

Il s’agit d’un des sujets les plus complexes et intéressants de la transition énergétique, qui est au cœur de plusieurs sujets centraux: l’éco-mobilité, le stockage d’énergie (hydrogène-énergie), la raffinerie et l’agriculture (hydrogène-matière première).

L’atome d’hydrogène

Pour comprendre les enjeux autour de l’hydrogène, il faut d’abord connaître les caractéristiques de cet atome et de la molécule de dihydrogène. Le fait que l’H2 soit la plus petite molécule est par exemple central pour comprendre les difficultés autour de son stockage. De même, il s’agit d’un gaz avec une très faible masse volumique, ce qui complique son transport: il faut impérativement le transformer pour qu’il soit plus dense, ce qui emporte de nombreux challenges.

Pour aller plus loin, vous pouvez lire nos articles sur l’atome d’hydrogène.

La production d’hydrogène

Comment produire de l’hydrogène ?

La production d’hydrogène est principalement produit par gazéification du charbon ou le vaporéformage du méthane. Ces procédés sont source d’émissions considérables de gaz à effets de serre. Les technologies bas carbone sont en cours de développement :

  • l’électrolyse de l’eau à partir d’énergies renouvelables et/ou bas carbones;
  • la pyrogazéification de biomasse, qui est encore au stade expérimental;
  • la captation carbone (CCUS) sur les technologies utilisant des hydrocarbures.

Les procédés industriels de production d’hydrogène

Le seul qui fonctionne à l’échelle industrielle actuellement est l’électrolyse. Il y a plusieurs types: alcaline, membrane échangeuse de protons (PEM), à oxyde solide (SOEC), etc. Chacune de ces technologies a des enjeux différents. Par exemple, le problème de l’électrolyse alcaline est qu’elle supporte mal l’intermittence. Celui de l’électrolyse PEM est le prix de ses matériaux. Plusieurs projets proposent de les coupler aux énergies renouvelables, mais on peut douter de leur viabilité. Le développement de ce mode de production d’H2 devrait évidemment aller de pair avec le développement de modes de production d’électricité bas carbone.

Une autre difficulté est que l’essentiel de la production d’ H2 est actuellement le coproduit d’autres productions, comme la coke, ou bien s’inscrit dans un cycle de production industriel autour de la raffinerie, et ne peut donc pas être substitué à court terme.

On peut également trouver des gisements naturels d’H2, mais cela ne semble pas significatif.

Pour aller plus loin, vous pouvez lire nos articles sur la production d’hydrogène.

Le stockage de l’H2

Pour stocker du dihydrogène, il ne suffit pas de le mettre dans un réservoir: il s’agit de la plus petite molécule et elle demande un volume énorme. Pour le stocker, vous devez donc le transformer chimiquement (ex : ammoniac) ou physiquement (ex : compression, liquéfaction ou adsorption) , ce qui emporte certains dangers.

Quels sont les dangers de l’hydrogène ?

Un événement a traumatisé le monde entier: l’embrasement de l’hydrogène contenu dans le ballon du zeppelin Hindeburg. L’hydrogène a en effet des problèmes de sécurité considérables :

  • il explose très facilement dès qu’il est en contact avec de l’oxygène
  • il nécessite des revêtement spéciaux pour empêcher qu’il fuite.
  • il corrode l’acier.

Le problème de la sécurité de l’hydrogène est un des grands challenges pour l’utiliser dans des véhicules, pour la mobilité.

Le transport d’hydrogène par la chimie

On peut stocker l’hydrogène avec des transformations chimiques, comme la méthanation (transformation en méthane, l’inverse du vaporéformage) ou, plus intéressant, en ammoniac (NH3), ce qui est une solution envisagée pour le transport maritime.

Il faut également se poser la question des risques, notamment pour la compression, l’H2 étant un gaz très explosif.

Une bonne alternative aux batteries ?

Malgré cela, il a deux gros avantages sur la batterie:

  • il est plus durable (tant que votre réservoir est hermétique bien sur …);
  • il peut être utilisé à grande échelle.

En effet, une solution prometteuse, mais encore expérimentale, est d’utiliser des réservoirs souterrains naturels ou quasi-naturels, comme des aquifères, d’anciens gisements d’hydrocarbures ou encore des cavernes salines.

Pour aller plus loin, vous pouvez lire nos articles sur le stockage d’hydrogène.

Les utilisations du dihydrogène

Il y a deux manières d’utiliser du H2 : comme vecteur énergétique ou comme matière industrielle.

Il est déjà très largement utilisé comme matière première : 90 millions de tonnes chaque année (2020). Il sert surtout dans le secteur de la raffinerie de produits pétroliers (46%) et dans la production d’ammoniac, qui sert ensuite à fabriquer des engrais (45%). On envisage de l’utiliser également dans le secteur de la sidérurgie, pour décarboner la réduction du minerai de fer, nécessaire pour produire de l’acier.

Comme vecteur énergétique, il aurait deux grands usages :

  • pour participer à lisser la production d’électricité des énergies intermittentes;
  • décarboner les transports et, notamment, les transports lourds, pour lesquels les batteries ne sont pas une solution viable. Les véhicules concernés sont variés : voiture, trains, poids-lourds, avions … L’avantage est la vitesse de recharge et l’autonomie du véhicule. On parle de « mobilité hydrogène ».
  • remplacer le gaz dans les usages industriels, notamment pour élever la température.

Ce gaz pourrait également pallier aux déficiences des réseaux électriques de certaines zones rurales, notamment en Afrique. Cela permettrait de limiter les émissions de gaz à effet de serre liées à l’utilisation de groupes électrogène diesel. On pourrait vraiment parler pour ces zones d’ « hydrogen economy », où ce gaz remplacerait vraiment les énergies fossiles.

Notez que l’utilisation d’hydrogène comme combustible a déjà été envisagée, mais elle a un rendement ridicule. Aujourd’hui tout le monde est d’accord pour utiliser des piles à combustible, pour le changer en électricité.

Pour aller plus loin, vous pouvez lire nos articles sur les utilisations de l’hydrogène.