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L'hydrogène : alternative aux énergies fossiles

Hydrogène

Dans l’Île mystérieuse, Jules Verne annonçait : « Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent […] fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. ». Une phrase qui s’avère assez juste. L’hydrogène est arrivé sur le devant de la scène au moment de la publication de France Relance, le 3 septembre 2020. Il s’agit du plan de relance économique de la France pour faire face aux conséquences de la Covid-19. En effet, l’hydrogène est un gaz permettant de faciliter la mise en place de la transition énergétique. Il pourrait favoriser la production de gaz renouvelable et le stockage de l’électricité verte. Mais plus concrètement quelle est cette énergie ? Quelles sont ces propriétés ? Comment fabriquer de l’hydrogène ? Choisir.com fait le point avec vous.

 

L’hydrogène : qu’est-ce que c’est ?

 

L’hydrogène (H) est un gaz extrêmement léger et très présent sur Terre. Selon la Société chimique de France, « c’est l’élément le plus abondant de l’Univers : 75 % en masse et 92 % en nombre d’atomes ».

Première substance du tableau périodique des éléments, la « table de Mendeleïev », il intervient dans la composition de nombreux éléments chimiques comme :

  • l’eau (H2O) ;
  • le méthane (CH4), constituant principal du gaz naturel ;
  • l’ammoniac (NH3) ;
  • l’acide sulfurique (H2SO4), autrefois appelé vitriol, etc.

L'hydrogène est un gaz particulièrement abondant. On le trouve en quantités importantes sur la planète. Mais, pour l’utiliser, il convient de l’isoler. En cela, ce n’est pas une énergie primaire. On considère comme « primaires » les énergies exploitables directement et sans transformation (comme le soleil, ou le gaz naturel, par exemple). Il faut le produire. Ainsi, pour l’obtenir à base d’eau, il faut séparer les molécules d’hydrogène et d’oxygène.

Cela étant, comme le souligne Total Direct Énergie, « sur notre planète, on a noté quelques émanations d’hydrogène naturel, mais non exploitables en quantités significatives et à des coûts compétitifs ».

Ces émanations se trouvent surtout dans les fonds marins. Mais, il en existe aussi « des émanations d’hydrogène à terre ». Elles se situent :

  • dans les massifs terrestres de péridotite, des zones volcaniques ou montagneuses comme Otroy en Norvège ou les volcans du Massif Central ;
  • dans les zones intraplaques, au cœur des cratons protérozoïques des éléments de la lithosphère d’au moins 500 millions d’années ;
  • plus rarement en surface, notamment au sud-est de Moscou, dans des endroits exempts de végétation, les « ronds de sorcières ». D’après Dr Isabelle Moretti, chercheuse à l’université de Pau, « on y constate avec des détecteurs que de l’hydrogène s’en échappe, de façon non constante et non continue, mais non négligeable. Des observations similaires sont faites aux États-Unis, au Brésil, au Canada, en Australie ou encore en Namibie ».

Reste à savoir si ces émanations pourront être un jour exploitée. C’est fort probable puisqu’à Bourakébougou, au Mali, au nord-ouest de Bamako, la capitale du pays, on a découvert un puit d’hydrogène naturel. Exploité par Hydroma, une société locale, cet hydrogène sert à produire de l’électricité.

 

Produire et stocker l’hydrogène

 

Sauf dans quelques rares cas, il faut produire l’hydrogène. Pour cela, plusieurs méthodes peuvent être envisagées. Suite à la production, il faut également mettre en place des systèmes de stockage. Voyons comment faire.

Comment produire de l’hydrogène ?

Bien souvent, l’hydrogène doit être créé artificiellement. On peut le fabriquer de trois manières :

  • par reformage du gaz naturel. Sous l’action de vapeur d’eau surchauffée, utilisée comme oxydant, on peut isoler les atomes d’hydrogène contenus dans le méthane (CH4). Cette technique est particulièrement polluante. En effet, comme l’explique la fondation de promotion de l’hydrogène H2life : « Dans ce processus, à chaque kg de H produit, 10 kg de CO2 sont dégagés. » ;
  • par gazéification du charbon de bois ou de biomasse. Pour l’extraire, on brûle du charbon à très haute température. Cette combustion permet de séparer le dihydrogène (H2) du monoxyde de carbone (CO). Ce procédé fortement carboné est lui aussi très polluant ;
  • par électrolyse de l'eau. Cela revient à scinder l'eau (H2O), en dioxygène (O2) et en dihydrogène (H2). Pour cela, il faut soumettre de l’eau à un courant électrique. Le gaz d’hydrogène remonte alors à la surface de l’eau.

Selon l’Association française pour l’hydrogène et les piles à combustible (AFHYPAC), la production d’hydrogène « provient à 76 % du gaz naturel, à 23 % du charbon et à moins de 2 % de l’eau par électrolyse, seule technologie à ne pas donner lieu à émissions de CO2 si l’électricité utilisée est “verte” ».

Aujourd’hui, le reformage apparaît comme le procédé le plus économique produire de l’hydrogène. Cela revient à 1,5 €/kg, ce qui reste trois fois plus élevé que le prix du gaz naturel. La production par électrolyse, quant à elle, avoisine 6 €/kg.

Mais la manière de produire de l’hydrogène est amenée à évoluer. Comme l’explique Guy Maisonnier, ingénieur économiste au Centre de recherche IFP Énergies renouvelables, « les industriels envisagent de plus en plus de produire l’hydrogène via l’électrolyse en recourant à des énergies décarbonées. L’enjeu reste toutefois le coût de ce mode de production bien plus onéreux à ce jour que celui du reformage ».

Quid du stockage ?

À première vue, le prix de production et les rejets de CO2 sont donc les grandes limites de l’hydrogène. À cela s’ajoutent les difficultés de stockage que pose l’hydrogène.

En effet, d’après Air Liquide, « l’hydrogène est le gaz le plus léger de tout l’Univers : un litre de ce gaz ne pèse que 90 mg à pression atmosphérique, il est donc environ 11 fois plus léger que l’air que nous respirons ». Cette légèreté en fait un gaz difficile à stocker. À pression atmosphérique normale, pour stocker 1 kg d’hydrogène, 11 m3 sont nécessaires.

Pour le conserver, il est donc indispensable d’en accroître l’intensité. Cela passe par trois méthodes de stockage :

  • sous forme gazeuse, à haute pression. En augmentant la pression, on diminue sa masse volumique. C’est grâce à cette méthode que l’on peut stocker l’hydrogène dans des piles à combustibles, comme nous le verrons plus loin ;
  • en le liquéfiant. Porté à une température inférieure de - 252,87 °C, l’hydrogène devient liquide. Il faut alors maintenir les réservoirs à très basse température pour éviter que celui-ci ne s’échappe. Aujourd’hui cette technique n’est que peu usitée. On la retrouve par exemple, dans les centres de propulsion spatiale ;
  • la conserver au sein d’un autre matériau. On parle alors de stockage solide. En associant l’hydrogène avec des alliages métalliques, on crée des hydrures. Par un processus inverse, il est possible de refabriquer de l’hydrogène. Cette méthode n’est pas encore très utilisée car elle ne permet de stocker qu’une petite quantité d’hydrogène. Air Liquide fait savoir que « les meilleurs matériaux permettent à ce jour d’obtenir un rapport poids d’hydrogène au poids total du réservoir ne dépassant pas 2 à 3 % ».

 

L’utilisation de l’hydrogène en France

 

Aujourd’hui, l’hydrogène est surtout utilisé à des fins industrielles. On appelle la vente directe d’hydrogène aux grandes entreprises le « Power-to-industry ». Il intervient aussi dans le domaine spatial et présente des propriétés intéressantes pour la transition énergétique.

Les applications industrielles

À l’heure actuelle, dans le monde, on produit environ 60 millions de tonnes d’hydrogène à l’année. Parmi elles, 900 000 tonnes sont fabriquées en France. Cette énergie sert à plus de 80 % à produire de l’ammoniac et du méthanol. L’ammoniac est un composé chimique indispensable à de nombreuses industries telles que :

  • les producteurs d’engrais ;
  • le raffinage du pétrole ;
  • la production de verre ;
  • l’impression de circuits électroniques, etc.

Le méthanol est un solvant industriel. Comme l’explique le Conseil canadien de sécurité, on le retrouve dans « les vernis-laque, peintures, vernis, ciments, encres, colorants, plastiques et diverses peintures industrielles ». On peut également s’en servir comme carburant.

Les applications dans le spatial

L’hydrogène est également utilisé dans le domaine spatial. En effet, le lancement des fusées comme Ariane 5 ou Saturn V implique la combustion d’hydrogène liquide et d’oxygène. Comme l’explique Air Liquide, entreprise bien connue du monde de la chimie, « actuellement, l’association hydrogène liquide et oxygène liquide est toujours utilisée pour lancer la fusée européenne Ariane 5. Dans l’étage principal cryotechnique d’Ariane 5, la combustion de l’hydrogène produit une énorme quantité de vapeur d’eau qui est détendue à très grande vitesse à travers la tuyère du moteur Vulcain. C’est l’éjection de gaz à grande vitesse qui va propulser la fusée, selon le principe d’action réaction ».

Pourquoi utilise-t-on de l’hydrogène ? Car il témoigne de belles propriétés énergétiques. En effet, selon Air Liquide, 1 kg d’hydrogène dispose en son sein de trois fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence.

Le raffinage du pétrole

Le pétrole à l’état brut est un produit inutilisable. C’est pourquoi il passe par des raffineries. On le transforme ainsi en divers produits consommables (essence, diesel, fioul, lubrifiants industriels, etc.).

Pour cela, on fait d’abord subir au pétrole deux distillations. Celles-ci permettent de séparer le pétrole en :

  • coupes légères comme les carburants « super sans plomb » 95 ou 98 ou le naphta, composante utilisée dans la pétrochimie ;
  • coupes moyennes comme le kérosène et le gazole (ou diesel), qui servent à des fins de transport ;
  • coupes lourdes comme le fioul ou le bitume.

L’hydrogène permet d’améliorer les produits finis de la catégorie des « coupes moyennes ». Par hydrodésulfuration, un traitement à l'hydrogène, on réduit la teneur en soufre de ces hydrocarbures transformés.

À cette condition, les carburants peuvent être mis sur le marché. En effet, l’Union européenne exige que les carburants ne témoignent que d’une très faible teneur en soufre pour être commercialisés. Comme l’explique la Commission européenne : « La teneur en soufre des carburants diesel ne doit pas excéder 10 mg/kg. ».

Pourquoi ce chiffre ? Parce que le soufre est un gaz nocif. C’est ce que fait savoir Total Direct Énergie : « Lorsque le soufre est émis dans l’air à la suite de la combustion du carburant, ses composés ont des répercussions négatives sur la santé et l’environnement. Les dommages environnementaux causés aux forêts, aux récoltes et aux ressources en eau peuvent également découler des fortes émissions de soufre à long terme, lesquelles contribuent à la pluie acide. ». Il est donc particulièrement important d’en minimiser les émissions d’échappement.

 

Énergies renouvelables et hydrogène vert

 

Outre les carburants, l’hydrogène intéresse aujourd’hui de plus en plus le secteur de l‘énergie. Notamment, pour mener à bien la transition énergétique, beaucoup entendent utiliser l’hydrogène vert. Pourquoi ? Quelles sont les applications de l’hydrogène propre dans le secteur énergétique ?

Un usage historique dans l’énergie

L’usage de l’hydrogène pour produire de l’énergie n’est pas une idée nouvelle. Au milieu du 19e siècle, il était utilisé à des fins d’éclairage public, via des lampes à gaz d’hydrogène.

Dans les années 1880, l’électricité fait son apparition et vient concurrencer l’hydrogène. Elle prend de l’ampleur et finit par le remplacer. C’est ce que met en avant la mairie de Chamonix : « Les dernières lanternes au gaz disparaîtront en France au milieu des années 1960. ».

Hydrogène et stockage de l’électricité verte

Abandonné pendant quelques années dans le secteur de l’énergie, l’hydrogène est revenu en force. À l’heure actuelle, c’est surtout l’hydrogène vert qui intéresse le domaine. En effet, il pourrait servir à pallier les limites liées aux stockages de l’électricité verte.

Les sources d’énergies renouvelables (éolien, solaire, etc.) sont dites intermittentes. Elles produisent de l’électricité en suivant les variations de la météo. Ainsi, lorsqu’il y a du soleil, les panneaux photovoltaïques « travaillent ». De la même manière, les éoliennes ne fonctionnent que s’il y a du vent.

Or, l’électricité se stocke encore très mal. C’est pourquoi il faut la consommer au moment de la production. Lorsque la demande est supérieure à la production, la France est obligée d’importer de l’électricité, de procéder à des délestages électriques ou d’inciter les entreprises industrielles à effacer leur consommation. L’effacement consiste à demander aux industries de réduire leur activité ou de passer sur des groupes électrogènes pour soulager les lignes à haute tension gérées par RTE.

À l’inverse, lorsque la demande est plus faible que la production d’électricité, il y a surproduction. Si celle-ci n’est pas utilisée, elle est perdue. La fabrication d'hydrogène pourrait permettre de valoriser les excédents l’électricité verte en la stockant dans des piles à combustibles.

Les piles à combustible sont des batteries permettant :

  • l’approvisionnement électrique de zones isolées ;
  • l’approvisionnement de secours d’entreprises ou sites publics ;
  • l’alimentation de certaines voitures électriques ou autres engins de mobilité.

À plus grande échelle, cette technologie pourrait être utilisée pour alimenter des foyers en électricité lors de pics de consommation, évitant ainsi le recours aux importations qui sont coûteuses. Cela permet aussi à la France de gagner en indépendance énergétique.

La pile à combustible associe l’hydrogène à l’oxygène de l’air dans l’optique de produire de l’électricité. Ce faisant, elle rejette de l’eau. Cette technique de production d’électricité grâce aux piles à combustibles permet de valoriser l’hydrogène vert. On la nomme « Power to Power ».

En France, le projet MYRTE est au cœur du développement du stockage de l’électricité via l’hydrogène. Il est mené par l’Université de Corse, le CNRS, AREVA Stockage d’Énergie et le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA). Par le biais de pile à combustible, il conserve l’électricité produite via une centrale solaire proche d’Ajaccio. Comme l’explique l’Université de Corse, « le but est de redistribuer cette énergie dans le réseau électrique lors des périodes de fortes consommations journalières ou pour pallier les variations brutales de puissance fournie par la centrale photovoltaïque ». Selon les données d’EDF, cette centrale peut alimenter environ 200 ménages.

Les enjeux de mobilité propre

Coté mobilité, la pile à combustible apparaît comme de plus en plus plébiscitée. Les constructeurs l’utilisent de plus en plus pour fabriquer des voitures à hydrogène. Ces véhicules témoignent d’une autonomie similaire à celle d’un véhicule thermique (essence ou diesel). Avec un plein, on peut faire 500 km.

Favorisant la mobilité propre, les véhicules à hydrogène restent toutefois plus chers que les voitures électriques. Comme le souligne Auto-Plus : « En France, seuls deux modèles sont proposés aux particuliers. Leur mécanique à pile à combustible les rend éligibles à un bonus écologique de 3 000 €, même si le prix de vente de ces autos électriques dépasse les 60 000 €. ».

D’autre part, en termes de consommation, l’hydrogène en station coûte 15 euros le kg. Un prix qui peut en décourager plus d’un. Selon le magazine Capital : « Il faut compter une quinzaine d'euros pour parcourir 100 kilomètres contre seulement deux euros avec une électrique alimentée par batterie. ». C’est sans compter les logistiques de recharge. La voiture électrique peut se recharger à domicile quand il faut se rendre à une station hydrogène pour recharger sa voiture. Or, l’offre reste assez limitée. En 2020, on compte seulement 157 stations hydrogène en France parmi lesquelles 86 sont ouvertes ou en construction. Les 71 restantes sont encore en projet.

Pour le moment, l’hydrogène sert surtout à des fins de mobilité d’entreprise. Ainsi, IKEA fait rouler les chariots électriques de certains entrepôts avec de l’hydrogène vert. Ces derniers ont une autonomie de 8 heures et permettent à l’entreprise de réduire son empreinte carbone.

Zoom sur le Power-to-gas

Il est également possible de produire puis stocker de l'hydrogène à partir d'électricité verte pour être injecté dans le réseau de gaz. On appelle cela le « Power-to-Gas ».

Pour cela, il faut faire passer l’électricité verte dans un électrolyseur contenant de l’eau. Sous l'effet du courant électrique, la molécule d'eau se découpe en hydrogène et oxygène. Il est ensuite comprimé pour être :

  • stocké dans le sol avec du gaz naturel ;
  • injecté en petite quantité dans le réseau de gaz.

Le plus grand projet de Power-to-Gas est celui de Jupiter 1000, porté par GRTgaz, le transporteur de gaz naturel majoritaire. Installé à Fos-Sur-Mer, « Jupiter 1000 est un projet innovant de démonstrateur industriel de Power-to-Gas. Basée sur une plateforme destinée à la transition énergétique, l'installation a pour but de transformer l'électricité renouvelable en gaz pour pouvoir la stocker. » comme le résume le site Web du projet. L’électricité provient d’un parc éolien proche de Marseille. Le gaz produit devrait servir à alimenter le port de Marseille.

Lancé en 2014, le site a commencé les premières injections d’hydrogène dans le réseau en février 2020. Mais la Covid-19 a freiné ces expérimentations. Le site a rouvert au moment du déconfinement mais nul ne sait quand il reprendra les essais.

Hydrogène et production de biogaz en France

Enfin, l'hydrogène peut être combiné avec du CO2 issu de méthanisation. Il s’agit du processus de décomposition de matière organique (le plus souvent des déchets agricoles) engendrant la formation de biométhane. C’est un méthane de synthèse présentant les mêmes propriétés que le gaz naturel.

En récupérant le CO2 généré par la méthanisation et en l’associant à de l’hydrogène, on peut alors créer du méthane. Ce procédé est intitulé « méthanation ». Le projet Jupiter 1000 fait également de la recherche sur la méthanation.

Ce méthane peut être stocké dans les sites de stockage gérés par Teréga et Storengy et soutiré à l’hiver. Cette solution permet de garantir à la France plus d’indépendance énergétique. En effet, l’Hexagone importe 98 % du gaz qu’elle consomme. En utilisant l’hydrogène en grande quantité, elle pourrait être à même de produire son propre gaz et, éventuellement, à très long terme, de se passer des importations.

Existe-t-il des offres d’hydrogène vert pour les particuliers ?
Non, pas encore. Cela étant, vous pouvez verdir votre consommation d’énergie en optant pour des offres d’électricité verte ou de biogaz. Contrairement aux idées reçues, ce ne sont pas forcément les contrats d’énergie les plus onéreux. Pour trouver le fournisseur vert le moins cher, n’hésitez pas à utiliser le comparateur d’énergie de Choisir.com.

 

Le développement de l’hydrogène : quelles perspectives ?

 

Bien que coûteuse à produire aujourd’hui, l’hydrogène apparaît comme une énergie d’avenir pour la transition énergétique. En effet, ses multiples applications et son abondance lui donnent des avantages compétitifs. L’Hexagone, via le plan France Relance, cherche à en promouvoir le développement. Il bénéficie également de politiques de soutien de la part de l’Union européenne. Voyons cela dans le détail.

France Relance : un soutien affiché des pouvoirs publics

Aujourd’hui, l’hydrogène fait partie des filières les plus prometteuses en termes de développement. Le 1er juin 2018, sous l’impulsion de Nicolas Hulot, alors ministre de la Transition écologique, le gouvernement a lancé un Plan Hydrogène. Le but ? Atteindre 10 % d’hydrogène vert à l’horizon 2023. Pour cela, Nicolas Hulot avait prévu une enveloppe de 100 millions d’euros gérée par l’Ademe pour soutenir des appels à projet.

Puis, suite à l’épidémie de Covid-19, les pouvoirs publics ont décidé d’investir massivement dans l’hydrogène via le Plan France Relance. C’est ce qu’ont fait savoir Barbara Pompili, ministre de la Transition écologique et Bruno Le Maire, ministre de l’Économie, des Finances et de la Relance : « Notre objectif est clair : conjuguer le développement technologique et la transition écologique. ».

Le développement de l’hydrogène s’organise autour de trois grands axes :

  • « décarboner l’industrie en faisant émerger une filière française de l’électrolyse ». Cela permettra à la France de produire du biogaz à partir d’énergie verte ;
  • « développer une mobilité lourde à l’hydrogène décarboné ». Accentuer les adaptations de l’hydrogène aux engins nécessitant des moteurs importants ;
  • « soutenir la recherche, l’innovation et le développement de compétences afin de favoriser les usages de demain », ce qui permettra à la France de trouver des nouveaux usages à l’hydrogène pour devenir un leader dans ce domaine.

Le plan de relance lui octroie 7 milliards d’euros à horizon 2030 dont 2 milliards d'euros en 2021-2022. Cela devrait lui permettre d’atteindre les objectifs de la Loi Énergie Climat votée en novembre 2019. Comme le rappelle l’AFHYPAC, « la loi Énergie Climat fixe comme objectif de développer l’hydrogène bas-carbone et renouvelable et ses usages industriels, énergétiques et pour la mobilité, avec la perspective d’atteindre environ 20 à 40 % des consommations totales d’hydrogène (notamment dans l’industrie) à l’horizon 2030 ».

Union européenne et hydrogène

Comme l’explique la Commission européenne sur son site internet : « Pour parvenir à la neutralité climatique à l'horizon 2050, l'Europe doit transformer son système énergétique, qui représente 75 % des émissions de gaz à effet de serre de l'UE. ». L’hydrogène propre est l’une des pistes étudiées pour réussir à atteindre la neutralité carbone.

Pour les institutions communautaires, le développement de l’hydrogène doit se faire par paliers. Ainsi la Commission a annoncé en juillet 2020 les différentes étapes suivantes :

  • de 2020 à 2024, l’appui à la création d’une infrastructure d’électrolyse d’au moins 6 gigawatts pour favoriser la fabrication d'hydrogène renouvelable afin de pouvoir produire jusqu'à 1 million de tonnes d'hydrogène renouvelable ;
  • de 2025 à 2030, porter la capacité des d'électrolyseurs à 40 gigawatts et générer a minima dix millions de tonnes d'hydrogène vert dans l'UE ;
  • de 2030 à 2050, déployer l’hydrogène à grande échelle.

Pour mener à bien cette stratégie, la Commission européenne a fondé « l'Alliance européenne pour un hydrogène propre ». Celle-ci regroupe :

  • la filière hydrogène et des acteurs du secteur énergétique ;
  • la société civile ;
  • les ministères de la Transition écologique des États-membres ainsi que certaines régions et collectivités territoriales ;
  • la Banque européenne d'investissement.

Cette alliance soutiendra le développement de la filière via des subventions et appels à projets.