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Présente majoritairement dans les domaines industriels tels que la pétrochimie ou le spatial, la filière hydrogène se voit prédire un avenir prometteur dans les domaines de l’énergie et du transport. Cette utilisation tend à évoluer compte tenu de la volonté de la France de respecter ses engagements en faveur de la lutte contre le réchauffement climatique.

Cette redéfinition du rôle de l’hydrogène impose de résoudre plusieurs défis tels que l’augmentation de sa production, une baisse de ses coûts, son stockage ainsi que sa distribution. A ce jour, qu’en est-il de l’utilisation de l’hydrogène et quelles évolutions prévoir ? Quels sont les freins à dépasser pour que cette filière se développe ?

Portée par les objectifs de la transition énergétique…

Inscrite dans le code de l’énergie, la Loi relative à la Transition Energétique pour la Croissante Verte (LTECV) fixe à la France plusieurs objectifs ambitieux dont le passage à 32% de la part des énergies renouvelables (EnR) dans la consommation finale brute d’énergie. Ainsi, la filière hydrogène constitue une solution à haut potentiel au service de cette transition.

L’hydrogène, en tant que vecteur énergétique, peut être envisagé comme une ressource alternative pour le stockage et la production de l’énergie ou encore comme un instrument de régulation entre énergies (i.e. Power to Gas).

… la filière traditionnelle de l’hydrogène tend à évoluer…

Le dihydrogène (H2) n’existe pas à l’état naturel sur Terre mais est très abondant sous forme d’hydrogène (H), atome présent dans l’eau ou dans les hydrocarbures (CxHy). Utilisé depuis plus d’un siècle dans l’industrie (ex. : synthèse de l’ammoniac, désulfurisation) ou comme combustible pour l’aérospatial, ses applications et procédés de production se sont étendus :

Filière hydrogène : de nombreux acteurs encore peu présents sur l’ensemble de la chaine de valeur

La production

Les 3 grands principes de production de l’hydrogène sont :

  1. Le reformage des combustibles fossiles : le méthane (CH4) contenu dans le gaz naturel réagit pour former de l’hydrogène et du dioxyde de carbone (CO2). Le bilan environnemental de cette technologie dépend donc de la capture et de la séquestration du CO2 ainsi formé
  2. L’électrolyse de l’eau : un courant électrique décompose la molécule d’eau en hydrogène et en dioxygène (O2). La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est appelée à se développer et pourrait être très décentralisée avec couplage à l’électricité renouvelable (solaire, éolien)
  3. La gazéification ou transformation thermochimique : c’est une combustion partielle d’une matière organique (charbon, biomasse…) en présence d’air ou d’oxygène qui produit du gaz de synthèse riche en hydrogène. L’hydrogène obtenu peut être utilisé comme carburant

En France, la quantité totale d’hydrogène produite et consommée en 2015 était de 0,92 Mt dont ~5,5% issue du procédé par électrolyse du chlore. La production mondiale (55 Mt) suit la même répartition avec 95 % à partir de sources fossiles (pour moitié à partir de gaz naturel) et 5 % par électrolyse de l’eau.

Les coûts de production(1) varient selon les sources (AirLiquide, IFPEN, McPhy, IEA…) avec en général ~50% des coûts liés aux investissements initiaux (i.e. CAPEX) :

  • Vaporéformage : entre 1,5 et 2,5 €/kg (coût hors valorisation du CO2 produit)
  • Electrolyse : de moins de 1 €/kg à plus de 10 €/kg, variant selon plusieurs critères (nature, coût et taille de l’électrolyseur, rendement, prix de l’électricité…)

Le surcoût de la production par électrolyse est estimé entre 30 et 65% par rapport au vaporéformage du gaz naturel.

Source : Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie(1)

Le transport, le stockage et la distribution

Après production, une chaîne de transport, de stockage et de distribution doit être mise en place. La faible densité de l’hydrogène (0,09 kg/m3 contre 0,702 kg/m3 pour l’essence) constitue un paramètre clef dans le choix et la définition de chacune des étapes de cette chaîne.

Selon la forme de stockage, différents contenants peuvent être utilisés pour le transport comme des bouteilles métalliques, des réservoirs, des hydrogénoducs ou pipelines (qui existent déjà en Europe). L’hydrogène est généralement comprimé et stocké sous forme gazeuse. La liquéfaction est possible, cependant il s’agit d’un procédé coûteux et énergivore. Enfin, le stockage « solide » existe également : adsorbé sur un hydrure métallique ou par des matériaux poreux.

L’hydrogène peut aussi être stockée et transportée dans le réseau de gaz naturel à hauteur de 20% en volume. Cependant, il reste encore à le séparer du gaz naturel et à le purifier afin de pouvoir en faire usage.

Un des intérêts majeurs de l’hydrogène réside dans l’importante capacité de stockage et l’étendue de sa période de restitution/décharge.

Source : vision Hydrogen Council sur des données de l’IEA(2)

Les applications et usages

L’hydrogène peut être converti en électricité, en chaleur ou en force motrice selon l’usage final. Il a l’avantage de présenter une capacité de stockage significative et de pouvoir être produit sans émission de CO2. En tant que vecteur énergétique, il trouve ainsi des applications :

  • Stationnaires : stocké dans les bâtiments, l’hydrogène assure une fourniture d’électricité et de chaleur grâce à la cogénération
  • Pour le transport et la mobilité : l’hydrogène peut directement alimenter des moteurs thermiques spécifiques (ex. : BMW Hydrogen 7 ou bus fonctionnant à l’hythane) ou permettre de produire de l’électricité dans des piles à combustible (PAC) adaptées aux véhicules électriques
  • Industrielles : l’hydrogène est un composant chimique très employé dans l’industrie

L’utilisation de l’hydrogène en tant que vecteur énergétique propre serait une des solutions les plus envisagées afin de répondre au problème de stockage.

… et pourrait connaître un futur prometteur…

L’utilisation de l’hydrogène dans des domaines autres que l’industrie augmente considérablement depuis que celui-ci est devenu une réponse aux enjeux énergétiques et climatiques. Les domaines du transport et du bâtiment sont largement impactés par de nouvelles technologies et évolutions utilisant de l’hydrogène. A cet effet, 13 grands groupes se sont alliés récemment au sein du « Hydrogen Council » pour accélérer la recherche dans la filière, assurer son développement commercial  et assurer un travail de lobbying auprès des pouvoirs publics afin d’obtenir un cadre réglementaire favorable.

L’hydrogène peut aussi être une solution au caractère intermittent des EnR en utilisant le Power To Gas (conversion de l’électricité en gaz). Le principe consiste à stocker la production excédentaire des énergies renouvelables en la transformant en hydrogène ou en méthane. Ces gaz produits peuvent ensuite être stockés directement dans les réseaux de gaz existants et ainsi être transportés selon les besoins. Les voies de valorisation Power To Gas sont multiples, depuis les usages classiques de l’hydrogène (cogénération, mobilité…) jusqu’à l’équilibrage du réseau électrique.

Zoom sur les projets :

A l’international :

  • Honda (Clarity), Toyota (Mirai) et Hyundai (ix35) ont sorti leur première voiture à hydrogène respectivement en 2008, 2015 et 2013. Ces voitures sont alimentées par une PAC qui fournit l’électricité au moteur

En France :

  • Des bus, camions de livraison et véhicules pour les collectivités ou encore des engins de chantier utilisant de l’hydrogène sont utilisés. La plupart de ces véhicules fonctionnent grâce à une PAC à hydrogène
  • Un projet de déploiement de stations de recharge sur le territoire est en cours
  • Des projets à plus petites échelles voient le jour dans certaines villes ou départements comme par exemple des vélos à assistance électrique ou des taxis(3)
  • Des projets de Power to Gas tels Jupiter 1000 ou GRHYD(4)

… à condition de lever certains freins

L’intérêt de l’hydrogène dans la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre dépend de la manière dont il est produit. Si une chaîne non carbonée de production existe via le procédé d’électrolyse, les briques technologiques nécessaires à son déploiement doivent être optimisées et fiabilisées : compétitivité économique, rendement énergétique et absence d’émission de CO2.

La conjonction de trois facteurs conditionne le développement d’une filière énergétique de l’hydrogène, notamment pour que les véhicules hybrides ou électriques puissent être accessibles au grand public :

Filière hydrogène : 3 volets à murir pour assurer un développement pérenne

Analyse SpinPart

On voit donc bien que les perspectives économiques et environnementales de la filière hydrogène sont inégales, notamment si l’on considère le cycle complet de production. Si l’électrolyse de l’eau a le mérite de ne pas recourir aux combustibles fossiles comme matière première, sa consommation en électricité est importante et peut s’avérer peu écologique dans des pays au mix énergétique relativement carboné. De surcroit, même en utilisant de l’électricité d’origine renouvelable, le rendement global est peu flatteur.

 

Notes et références :

  1. La filière hydrogène – énergie – Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie, Conseil général de l’environnement et du développement durable N° 010177-01, Septembre 2015
  2. « How hydrogen empowers the energy transition » – Hydrogen Council
  3. Des taxis cracheurs d’eau roulent dans Paris – Le Parisien
  4. Dossier Hydrogène – SmartGrid CRE
  5. Les défis de la voiture à hydrogène – CNRS
  6. Projet européen « Volumetriq »

Aurélien MARTIN, SpinPart, Management Consulting, Energie, Utilities & Environnement