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 !

Toutefois, on sait cela depuis plus d’une centaine d’années … On parle même d’économie hydrogène (= basée sur l’hydrogène comme carburant) depuis … 50 ans maintenant … Or, les voitures à hydrogène restent rarissimes et, pire: le dihydrogène utilisé reste produit par des procédés très polluants.

Nous tenterons ici de comprendre ce paradoxe et l’une des grandes questions de l’écologie moderne : l’hydrogène est-il l’énergie de l’avenir ?

Pour répondre à cette question, nous commencerons par regarder vers le passé, vers l’histoire de l’hydrogène, puis nous reviendrons sur ses caractéristiques avant d’étudier le marché et les usages de l’H2 aujourd’hui. Une fois que nous aurons creusé tous ces sujets, nous pourrons enfin nous intéresser aux perspectives du dihydrogène.

Vous pourrez trouver au fil du texte les articles qui approfondissent chaque question que nous allons aborder dans ce dossier.

[Plusieurs des articles sont en construction, si vous voulez que j’accèlère sur l’un d’eux, n’hésitez pas à me le dire par le formulaire de contact en fin d’article, ça m’encourage :)]

L’histoire de l’hydrogène

L’hydrogène et les transports

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, puis grâce à pile à combustible, qui transforme le gaz en électricité. En 1961, l’H2 était utilisé pour propulser les premières fusées spatiales.

La voiture à hydrogène, par contre, ne décolla jamais. Malgré des efforts dans les années 70, la première dans le commerce fut la Hyundai iX35 Fuel Cell en … 2013.

Développements industriels

C’est dans la sphère industrielle que l’hyrogène a eu du succès, permettant, grâce au procédé Haber-Bosch, de produire de l’ammoniac qui sera utilisé pour produire les engrais azoté. Il est également beaucoup utilisé dans la pétrochimie, notamment pour désulfuriser le pétrole. On en produit et consomme autour de 70 millions de tonnes …

L’hydrogène-énergie: un horizon lointain

Encore aujourd’hui, les voitures à hydrogène sont rarissimes et hors de prix: entre 45 et 70 000€ ! Sans compter sur la rareté des stations de recharge … L’hydrogène vert, produit par électrolyse, est, lui aussi, embryonnaire : seulement 4% de la production !

Pour aller plus loin sur le côté historique, vous pouvez consulter notre article sur l’histoire de l’hydrogène.

Caractéristiques de l’hydrogène

L’atome d’hydrogène

L’atome d’hydrogène est le plus petit et, très logiquement, le dihydrogène est la plus petite molécule. Ce gaz occupe dans des conditions de pression et de température normales un volume énorme : 11 000 litres pour un kg !

Il a principalement 3 isotopes: le protium, le deutérium et le tritium. Le second est utilisé pour produire de l’énergie nucléaire et le troisième, radioactif, en est le déchet.

Pour aller plus loin, vous pouvez consulter notre article sur l’atome d’hydrogène.

Un gaz difficile à stocker et à transporter

La taille du dihydrogène et le volume qu’il occupe le rendent très difficile à stocker. Il a besoin d’être compressé à de très fortes pressions ou liquéfiés pour être transportable. A 700 bars, un kg d’H2 occupe encore 21 litres. Cela descend à 14 litres s’il est liquéfié.

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

Un gaz dangereux

Cela le rend aussi dangereux : une simple fuite peut entraîner une explosion. Elles sont, de plus, très difficiles à repérer puisque le H2 est inodore et transparent.

Pour aller plus loin, vous pouvez consulter notre article sur les dangers du dihydrogène

L’H2 aujourd’hui

Aujourd’hui, environ 70 millions de tonnes de dihydrogène sont produites et consommées chaque année. Ni leur production, ni leur utilisation ne sont vertes. Elles proviennent en effet principalement d’hydrocarbures et c’est l’industrie qui les utilise, principalement la pétrochimie et la production d’engrais.

La production de l’hydrogène

L’hydrogène a ceci de particulier que c’est l’élément à la fois le plus commun et le plus rare. En effet, il se retrouve partout, dans l’eau, les matières organiques, les matière fossiles … et pourtant, on ne le trouve (presque) nulle part … sous forme pure. Il faut donc des procédés pour l’extraire d’autres matières.

Le principal mode de production est le vaporéformage du méthane (SMR) ou d’autres hydrocarbures, ou encore la gaséification du charbon (POX). Globalement, l’hydrogène “gris”, provenant d’hydrocarbure, représente 96% de la production.

L’hydrogène vert, produit par électrolyse, ne représente que 4% de la production.

Ainsi, la production de dihydrogène est responsable de 6% des émissions globales de gaz à effets de serre, autant que la Grande-Bretagne et l’Indonésie réunies.

Pour aller plus loin, vous pouvez lire notre page sur la production d’hydrogène.

Les utilisations actuelles de l’hydrogène

Le dihydrogène est surtout utilisé pour:

  • le raffinage du pétrole (33%), notamment sa désulphurisation (retirer le souffre pour éviter qu’il se retrouve dans l’atmosphère et cause, entre autre, des pluies acides);
  • les productions d’ammoniaque (27%), le principal composant des engrais azoté; de méthanol (11%); d’acier, pour la réduction directe de minerai (3%). (Source : The Future of Hydrogen, IEA)

Ces utilisations sont vouées à largement augmenter.

Pour aller plus loin, vous pouvez lire notre page sur les utilisations actuelles de l’hydrogène.

Les perspectives du dihydrogène

Il y a deux grands axes qui font du dihydrogène-énergie un outil de la transition écologique (outre le fait qu’il faille réduire l’empreinte carbone de la production existante):

  • Un rôle de stockage pour amortir les variations des énergies intermittentes par l’électrolyse;
  • Un rôle de carburant pour remplacer le pétrole.

On présume largement qu’une production d’H2 écologique doit se faire par électrolyse. Toutefois, il est possible que l’hydrogène fossile associé à la captation carbone soit une solution beaucoup plus crédible à court et moyen termes.

Gérer les énergies intermittentes

Les électrolyseurs pourraient “absorber” les variations des énergies intermittentes, faisant en quelques sortes office de batteries. Lorsque la production de l’éolien ou du solaire excéderait les besoins, l’électrolyseur transformerait l’excès en hydrogène.

Toutefois, j’ai pu interviewer la dirigeante de Lhyfe pour mon livre “Les startups Greentech” et elle m’a expliqué (si j’ai bien repris ses propos) que les outils produisant l’hydrogène vert n’étaient traditionnellement pas adaptés à l’intermittence : ils ne pourraient pas démarrer et s’arrêter facilement. La solution de Lhyfe permettait justement de rendre le procédé viable.

Une autre solution semble être l’utilisation de grandes batteries. Ainsi devrait être lancée en 2022 la construction du projet “Masshylia” combinant, pour produire de l’hydrogène vert :

  • un électrolyseur géant pouvant produire 5 tonnes d’H2 par jour,
  • un parc solaire cumulant 100MW et
  • une unité de stockage d’énergie de grande ampleur, qui permettrait d’amortir les variations de ce dernier pour que l’électrolyseur fonctionne en continu.

Le rendement de l’opération pose néanmoins problème: elle ne restitue que 25% de l’énergie initiale …

La mobilité hydrogène

Une idée très répandue est que l’H2 pourrait également servir de combustible pour alimenter les véhicules et, peut-être, remplacer le pétrole. Cette mobilité hydrogène est pourtant encore embryonnaire: il n’y a que quelques dizaines de stations de recharges en Europe et à peine 11 200 voitures à hydrogène dans le monde, dont 9000 Toyota Mirai (Wikipedia). Les moins chères se vendent à plus de 40 000€ …

Le principal problème est la comparaison avec les voitures électriques. On considère que la mobilité hydrogène a la plus d’avenir dans la mobilité lourde (camions, bus et avions).

Dihydrogène brun et captation carbone

Comment le soulignent William J.Nuttall et Adetokunboh T.Bakenne dans Fossil Fuel Hydrogen, Technical, Economic and Environmental Potential, la captation carbone pourrait rendre l’hydrogène fossile beaucoup plus écologique que ce qu’on présente traditionnellement.

C’est un point d’autant plus important que, la production d’hydrogène étant très largement fossile (96%), l’électrolyse restera très minoritaire à court et moyen termes.

Critiques et soutiens

“Lors de mon passage sur les bancs de l’université, notre professeur de chimie nous parlait déjà de leurs promesses dans les années 1970 …”

Bernard Deboyser, Hydrogène : vous le voulez vert, bleu, gris, jaune ou nature?

Soutiens

L’hydrogène est l’objet de nombreux soutiens : Le “Conseil de l’hydrogène”, rassemblant des industriels, a été créé en 2017, Jérémy Rifkin son son livre sur “l’économie hydrogène“, des chercheurs (Ex: Fossil Fuel Hydrogen, Technical, Economic and Environmental Potential) et même l’Agence internationale de l’énergie (IEA) l’encourage dans son rapport “The Future of Hydrogen“.

Pour aller plus loin, vous pouvez lire notre article sur les soutiens de l’hydrogène.

Critiques

Il est aussi l’objet de nombreuses critiques, notamment de Jean-Marc Jancovici et de Michel Gay. Ils lui reprochent d’impliquer beaucoup de gâchis (le rendement “électricité => H2=> électricité” est de 25%), surtout pour les voitures à hydrogène, où l’H2 est en compétition avec l’électrique. Il faudrait déjà décarboner l’électricité ET la production de dihydrogène avant d’envisager d’étendre son usage.

Pour aller plus loin, vous pouvez lire notre article sur les critiques de l’hydrogène.

Conclusion: une piste intéressante, mais qui semble limitée

Au final, les critiques adressées à l’hydrogène me semblent assez valides.

  1. Pourquoi passer de l’électricité au dihydrogène, avec les pertes que cela entraîne, plutôt que de rester à l’électrique ? L’intérêt semble être de se passer de batteries, mais les piles à combustible demandent aussi des métaux rares et la technologie des batteries avance à grands pas. Je ne le vois pas être viable pour les transports.
  2. On a le même problème pour l’amortissement de l’intermittence: pourquoi ne pas préférer des batteries ou des modes de stockage mécanique ? La discussion est ouverte et le débat mériterait d’être mené.
  3. Pourquoi rechercher un vecteur d’énergie alors que l’électricité n’est toujours pas décarbonnée ?

Reste, avant tous ces sujets, qu’un point qui m’interroge: pourquoi ne pas commencer par remplacer l’hydrogène gris par l’hydrogène vert ou de l’hydrogène bleu (avec de la captation carbone) ? Développer de nouveaux modes de consommation d’hydrogène alors que sa production représente 6% des émissions globales de gaz à effets de serre me semble difficile à justifier …

Références

Pour aller plus loin:

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