Faut-il parier sur l’Hydrogène comme l’énergie du futur ?

Au-delà de son potentiel économique, la production énergique est un sujet structurel voire vital pour la société en raison d’une multitude de facteurs concomitants :

Le prix de l’énergie n’a cessé d’augmenter depuis la crise russo-ukrainienne. Cette guerre remet sur la table le débat sur le mix énergétique et la question de la souveraineté et de l’indépendance énergétique. Selon la dernière note de l’Insee de juillet 2023 sur les prix des matières premières, le cours du Brent (pétrole) a augmenté de 46% entre janvier 2021 et juillet 2023 avec un pic à + 122% en juin 2022. Pour le prix du Gazole-fioul domestique, la tendance est la même : +73% entre janvier 2021 et juillet 2023 avec un pic à +189% en juin 2022.

L’augmentation de la population qui va mécaniquement accroître la demande d’énergie. Selon la Banque Mondiale, la population mondiale se chiffre à 7.8 milliards en 2022 alors qu’elle était de 6.1 milliards en 2000. L’ONU prévoit que nous serons 9.7 milliards en 2050.

Nos habitudes de consommation ont évoluées. Quasiment tous les enfants sont équipés de smartphone et consomment de la data. Les autorités européennes souhaitent l’arrêt de la commercialisation des véhicules thermiques d’ici 2035. La mobilité urbaine et électrique (vélos ; scooters ; motos ; trottinettes) encouragée par les différentes aides financières, rencontre un véritable succès non éphémère. Ces habitudes sont fortement consommatrices d’énergie.

Il y a une urgence pour l’humanité de trouver une alternative aux filières énergétiques polluantes, participant au réchauffement climatique et dégradant notre couche d’ozone.

En dressant un tel tableau, notre réflexion se tourne naturellement vers certaines énergies renouvelables (solaire ; hydraulique ; éolien ; biomasse) comme la solution pour une transition vers le 100% électrique et le 0% d’émission de gaz à effet de serre. Mais il existe un autre procédé à partir d’un élément naturel permettant de générer de l’électricité, à savoir l’hydrogène (H2).

Dans la continuité de notre article sur l’avenir de la voiture à hydrogène, nous allons tenter de comprendre pourquoi les sujets de production et de stockage vont conditionner l’attrait pour l’hydrogène.

Comment créer de l’énergie à partir avec de l’Hydrogène ?

L’hydrogène ou dihydrogène puisque que sa formule moléculaire est H2, est un élément naturel abondant sur notre terre et dans notre univers. On le trouve dans l’eau (H2O), dans les combustibles fossiles (méthane ; charbon ; et pétrole) et plus rarement, en gisement naturel (exemple : gisement en Loraine).

Là où les panneaux solaires ont besoin d’ensoleillement ou les éoliens du vent, l’hydrogène est un vecteur d’énergie qui n’a besoin que d’une réaction chimique pour créer de l’électricité. Sans oublier que le sujet d’intermittence propre aux énergies renouvelables n’existe pas dans le cas de l’hydrogène (par exemple : les panneaux solaires ne produisent pas d’électricité la nuit).

Il existe deux façons pour générer de l’énergie à partir d’hydrogène :

Par la chaleur via la combustion directe avec le dioxygène (O2) ;

Par l’électricité via la pile à combustible. C’est la technique que nous retrouvons dans les véhicules de tourisme à hydrogène. C’est par une réaction électrochimique que nous obtenons de la chaleur, de l’électricité et de l’eau.

Dans son utilisation, l’hydrogène n’émet pas de gaz à effet de serre et tout autre polluant pouvant gêner les personnes. Mais son intérêt ne s’arrête pas là. La notion de vecteur énergique est très importante car elle signifie que l’hydrogène peut être transporté et stocké contrairement au soleil, au vent ou aux courants fluviaux. Cependant, son stockage au même titre que sa production est un sujet de discussion en raison de la consommation énergique nécessaire pour remplir ces deux tâches.

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Comment produire de l’Hydrogène ?

La production d’hydrogène est le point faible de cette énergie. Les différentes techniques permettant de produire de l’hydrogène sont énergivores ou avec un mauvais bilan carbone alors que ce vecteur énergétique est censé être une alternative aux énergies polluantes.

Pour bien comprendre l’enjeu de sa production, nous allons volontairement présenter les principales techniques de production actuelles en deux parties selon la matière première permettant justement d’extraire l’hydrogène.

L’hydrogène à partir d’eau :

C’est la façon la plus verte pour produire de l’hydrogène :

– Le premier procédé est l’électrolyse de l’eau permettant de séparer une molécule d’eau (H2O) en hydrogène (H2) et en oxygène (O2). Mais cette production décarbonée est très coûteuse car elle est énergivore. Il faudrait environ deux unités d’énergie pour produire une unité de cette même énergie, à savoir de l’électricité en Kwh.

– Le deuxième procédé dont son utilisation est quasiment nulle, est la dissociation thermique. Il s’agit par une température très élevée à plus de 3500 °C de dissocier la molécule d’eau. La dissociation peut aussi sur faire sur une température 3 fois moins élevée mais dans ce cas de figure, il faudra tout de même un apport électrique ou chimique avec une production moins efficace de 20%.

La production de l’hydrogène à partir de la molécule d’eau nécessitant de l’électricité est incontestablement une production décarbonée mais excessivement énergivore. Ce n’est que du bon sens, le coût est le critère principal dans l’arbitrage d’une méthode de production par rapport à une autre. En 2018 et selon une note du Sénat en avril 2021, seulement 1% de l’hydrogène en France est issu de la technique de l’électrolyse.

L’hydrogène à partir d’énergies fossiles :

Il existe plusieurs techniques permettant de produire de l’hydrogène à partir du méthane, du charbon et du pétrole :

– La méthode la plus utilisée est celle du « Stream reforming » ou le reformage du méthane à la vapeur aussi appelé le vaporeformage du méthane. Deux étapes y sont nécessaires pour extraire l’hydrogène. La première est de traiter le méthane à la vapeur d’eau avec une température de 900 °C et une pression de 30 bars environ afin d’obtenir un gaz de synthèse dont sa composition est (3H2 + CO). Puis la deuxième étape consiste à isoler l’hydrogène à l’aide d’un catalyseur.

– Le deuxième procédé est l’oxydation partielle d’hydrocarbure qui concerne principalement le pétrole et ses dérivés. Il s’agit d‘une réaction chimique entre l’hydrocarbure et le dioxygène dans un environnement à haute température (jusqu’à 1 500°C) et de forte pression (jusqu’à 60 bars).

– La dernière méthode est la gazéification du charbon. Par pyrolyse et combustion du charbon, on obtient un gaz de synthèse composé de monoxyde de carbone (CO) et l’hydrogène (H2).

Ces méthodes de production à partir de combustibles fossiles sont en effet moins coûteuses que celles à partir de l’eau mais elles émettent beaucoup de CO2. Toujours selon une note du Sénat en avril 2021, quasiment 99% de l’hydrogène en France est issu des combustibles fossiles. Ce chiffre montre bien l’importance du coût de production dans le choix des techniques par les industriels.

En synthèse :

*©readingsphere.com – Production d’Hydrogène*

Son stockage, l’autre vrai sujet de l’Hydrogène

L’enjeu du stockage est double. Il s’agit de trouver la meilleure méthode permettant d’optimiser le couple masse-volume tout en consommant le moins d’énergie possible. On parle de « masse-volume » car l’hydrogène possède une grande densité massique d’énergie (1kg d’hydrogène génère autant d’énergie que 3 kg de pétrole) mais une faible densité volumique ce qui explique les nombreuses recherches dans la compression de ce vecteur énergétique. On parle de « consommation énergique » car la charge et la décharge de l’hydrogène du contenant nécessitent de l’énergie.

Voici les différentes méthodes pour stocker l’hydrogène :

– Le réservoir à haute pression : à ce jour, c’est la méthode la plus répandue et le moins coûteuse. Il s’agit de compresser l’hydrogène avec une pression de 700 bars. Cette technique permet de stocker une grande quantité d’hydrogène dans un petit volume.

– Le réservoir cryogénique : c’est une méthode qui consiste à liquéfier l’hydrogène permettant d’augmenter sa densité volumique. Cela signifie qu’il faut moins de volume pour stocker un même débit d’énergie par rapport au réservoir à haute pression. Le ratio est d’environ de 50%. Avec cette technique, la gestion de l’espace est alors très intéressante. Cependant, son procédé demande beaucoup d’énergie car il faut descendre la température en dessous de -250°C pour liquéfier l’hydrogène.

– Le stockage à basse pression avec l’hydrure métallique : il s’agit d’alliages métalliques permettant d’absorber et de restituer l’hydrogène. Cette approche est l’une des plus compactant, nous sommes sur un ratio de 3 par rapport au réservoir à haute pression. C’est-à-dire que nous avons 3 fois plus d’hydrogène pour un même volume. Malgré cet avantage, cette technique est loin d’être la plus utilisée car : la restitution nécessite de la chaleur et donc de l’énergie ; la cinétique (absorption – restitution) est la plus lente des techniques de stockage ; le coût des alliages est conséquent ; et les alliages dans le contenant prennent de la place et réduisent donc l’espace de stockage.

Le potentiel de l’hydrogène ne deviendra réel que si cette énergie devient une énergie domestique. Dans cette perspective, la logistique (transport et stockage) devient alors une question aussi cruciale que celle de la production car elle répond pleinement à l’enjeu de la disponibilité en continue.

Pour conclure :

Nous sommes convaincus que l’hydrogène aura une place dans le mix énergétique du futur mais son poids dépendra des évolutions à venir dans les techniques de production et de stockage pour que l’hydrogène puisse devenir une source d’énergie à la demande dans un modèle économiquement viable pour toutes les parties prenantes.

Ces innovations technologiques sont synonymes de dépenses en R&D (recherche et développement) très conséquents. Compte tenu de la hausse généralisée des prix, il n’est pas certain que les citoyens acceptent de subventionner la recherche. Cela signifie que la dépense publique ne peut pas à elle seule impacter toute la chaine de valeur de l’hydrogène dont son efficacité énergétique n’est désormais plus un sujet.

Il faut alors embarquer les majors de la production énergétique qui sont aujourd’hui les seuls capables d’investir des sommes importantes, dans le développement la filière de l’hydrogène. Et l’Etat doit avoir la responsabilité d’impulser ce mouvement.