Hydrogène : promesses et réalités

L’hydrogène est de plus en plus souvent présenté comme un atout en matière de réduction d’émission de gaz à effet de serre. Connu depuis des siècles, il est actuellement utilisé dans des secteurs aussi différents que le raffinage, la fabrication d’engrais ou l’exploration spatiale. Grâce aux avancées technologiques récentes dans sa production par électrolyse, l’amélioration des performances des piles à combustibles et les récentes découvertes d’hydrogène naturel on envisage une utilisation de ce nouveau vecteur d’énergie « propre » dans le secteur des transports et dans quelques secteurs industriels. Sur le papier l’équation paraît simple, en pratique ça l’est moins, notamment à cause de la taille des infrastructures de production d’électricité décarbonée qu’il faudrait déployer tout en tenant compte de ressources naturelles potentielles qui ont été découvertes au cours des derniers mois.

L’Hydrogène, élément chimique le plus élémentaire, est le principal constituant de l’univers dont il représente 75% de la matière en masse, et plus de 90% en nombre d’atomes. On le trouve principalement dans les étoiles et les géantes gazeuses. Sur notre planète il est combiné avec d’autres atomes pour former d’innombrables molécules comme l’eau, les matières organiques, les hydrocarbures etc.

L’Hydrogène gazeux, aussi appelé dihydrogène, résulte de l’association de deux atomes d’hydrogène. Il est très rare dans l’atmosphère terrestre (0,5 ppm). On le trouve aussi dans le sous-sol terrestre, un gisement découvert au Mali en 1987 sert en partie à l’alimentation locale en énergie. D’autres gisements de cet hydrogène naturel encore appelé hydrogène blanc ont été identifiés récemment (France, Australie, Canada) où la quantité totale stockée est encore inconnue et les conditions d’extraction de transport et ou de stockage sont à l’étude.

De l’air inflammable l’hydrogène énergétique, technique et industriel

Les premières observations de “l’air inflammable” datent du XVI^ème siècle, c’est à partir de 1766 qu’il a été étudié par l’anglais Henry Cavendish et en 1783 Antoine Lavoisier découvre que l’air inflammable réagit avec l’oxygène pour former de l’eau et le nomme hydrogène, du grec “formeur d’eau “.

L’hydrogène a d’abord été utilisé comme gaz pour gonfler les premiers ballons après l’essai réussi de Jacques Alexandre César Charles en 1783 . Au début du XX^ème siècle il a été employé dans les dirigeables jusqu’au dramatique accident du « Hindenburg » en 1937 (depuis, il est remplacé par l’Hélium pour gonfler ces aéronefs). La découverte en 1800 du gaz de houille, dont le dihydrogène est le premier constituant en volume, permet le développement de l’éclairage public dès 1812. Le premier moteur à combustion interne alimenté par du gaz de houille est inventé en 1804 par François Isaac de Rivaz qui le monta sur un véhicule automobile en 1807 et en 1859 Etienne Lenoir conçoit le premier moteur deux temps fonctionnant au gaz.

Les progrès des techniques de production de dihydrogène pur en grandes quantités ont permis le développement de nombreuses applications industrielles :

• Raffinage de produits pétroliers pour la purification de produits et la conversions de fuels lourds en produits plus légers (essence ou gazole) ;
• Industrie chimique pour la production d’ammoniac utilisé dans la fabrication des engrais et plus marginalement de nombreux composés organiques (méthanol, eau oxygénée, amines…) ;
• Matériaux : traitement thermique des métaux fabrication du verre ;
• Aérospatial : dans les moteurs-fusées à propergols liquides où le dihydrogène est mélangé à de l’oxygène. Des applications encore confidentielles ont vu le jour depuis quelques années dans le secteur des transports où l’hydrogène peut être utilisé comme carburant et des développements sont en cours dans l’industrie sidérurgique, en Suède et en France, pour décarboner la production de l’acier.

Production de l’Hydrogène

Jusqu’à la récente découverte de gisements sous-terrains significatifs, on ne disposait pas de ressources naturelles de dihydrogène et ce gaz est doit être synthétisé. Actuellement la production mondiale d’hydrogène gazeux s’élève à 94 millions de tonnes (2021), dont 62 % provient du vaporeformage du méthane, 18 % de l’oxydation partielle du pétrole, 19 % de la gazéification du charbon, 0,7 % d’un de ces trois procédés avec captage et valorisation du CO2 et 0,04 % de l’électrolyse de l’eau (Agence Internationale de l’Énergie).

Les trois premières méthodes de production organiques ont un rendement énergétique de conversion qui est compris entre 45 et 80 % avec un coût de 1,5 à 2 € /kg. Ces modes de production mobilisent des combustibles générateurs de gaz à effet de serre : près de 830 Mt de CO2 par an dans le monde dont 11,5 millions de tonnes par an en France (données 2019). L’hydrogène produit de cette façon est appelé “hydrogène gris”, ou “hydrogène bleu” s’il y a capture du CO2 dans ces procédés de production

L’électrolyse de l’eau la décompose en dioxygène et dihydrogène grâce à un courant électrique continu. Son rendement énergétique atteint 40 % à 80 % si la chaleur dégagée par la l’opération est valorisée (NB l’énergie perdue lors de la génération de l’électricité n’est pas comptabilisée). Ce procédé se caractérise par sa neutralité carbone à condition que l’électricité utilisée le soit aussi. On parle alors “d’hydrogène vert ” si l’électricité provient d’énergies renouvelables ou d’”hydrogène jaune” s’il est produit avec de l’électricité provenant de centrales nucléaires. Le coût de l’hydrogène produit par électrolyse est de 5 à 15 € par kg selon les évaluations et dépend étroitement du coût de électricité utilisée pour le produire.

Bien que le recours à l’hydrogène vert est encore marginal, il apporte des informations utiles quant aux principaux avantages et inconvénients de ce vecteur d’énergie : pas de production de CO2 ni d’oxydes d’Azote (NOx) si l’ensemble de la chaîne est décarboné et si l’on se sert d’une pile à combustible (PAC) pour le convertir en énergie « utile » ; pas de bruit pour véhicules à PAC ; forte densité d’énergie par Kg (3 fois plus que l’essence) mais faible valeur énergétique par unité de volume ce qui nécessite réservoir adaptés volumineux (mais moins lourds que les batteries à quantité énergie stockée équivalente).

L’augmentation du prix du pétrole, la croissance des besoins énergétiques, en Chine et en Inde notamment, et l’impact de la consommation des énergies fossiles sur l’environnement et le climat ont aiguillonné la R&D sur l’hydrogène dans de nombreux pays depuis le rapport du GIEC de 1995 et le protocole de Kyoto de 1997 : Japon, Etats-Unis (Californie), Chine, Corée du Sud, Allemagne, Royaume Uni, Norvège, France…

Efforts de Recherche et Développement

Ils ont d’abord porté sur la mobilité, qui consomme 25 % de l’énergie et produit 25% des GES dans le monde (33 % et 39 % en France).

Le secteur Automobile a embrayé dans les années 80-90 chez le constructeur japonais Mazda d’abord, avec l’application du dihydrogène aux moteurs rotatifs dont un prototype a été présenté au Salon automobile de Tokyo de 1991. D’autres constructeurs se sont également engagés dans cette voie : Honda a lancé sa première voiture à pile à combustible en 2002, BMW a commercialisé le modèle Hydrogen 7 (première voiture de série fonctionnant à qui remplace avec le modèle ix35, lancé en 2013 qui fonctionne avec une PAC, Hyundai a obtenu en 2014 l’homologation européenne pour son SUV iX35 Fuel-Cell (auquel le Nexo a succédé en 2018) , Toyota commercialise depuis en 2015 le modèle Mirai qui utilise aussi une PAC, Mercedes a sorti la GLC hydrogène en 2018 en Allemagne, Renault développe des véhicules utilitaires : Kangoo Z.E. Hydrogen (qui devait être lancé en 2019) et Master-Hydrogène présenté en 2023.

Actuellement le marché de la voiture à Hydrogène reste encore confidentiel : on dénombrait 72 000 véhicules fin 2022, alors que le parc mondial des voitures électriques a dépassé 25 millions d’unités, et l’on observe quelques initiatives notamment en milieu urbain.

Si les bus à hydrogène font lentement leur « débuts » en France (Versailles, Pau et Béthune …) en Europe (Allemagne, Danemark, Pays-Bas, Espagne…) et en Asie (Chine, Corée du Sud) il n’en n’est pas de même en Islande des bus à hydrogène circulent depuis 2003. A Paris on trouve des taxis à hydrogène depuis 2015.

Le Fret Routier à hydrogène est à ses débuts : en juillet 2020, la Suisse a commencé à faire rouler des camions de 36 tonnes du constructeur sud-coréen Hyundai qui fonctionnent à l’hydrogène

Les premiers trains à hydrogène, développés par Alstom, ont été mis en service en Allemagne en 2022. En France ce sont des trains bi-mode (hydrogène-électricité) ont été commandé par 4 régions (Auvergne-Rhône-Alpes, Bourgogne-Franche-Comté, Grand Est et Occitanie) en 2021 et un train « 100% hydrogène est expérimenté en région Centre-Val de Loire depuis 2023.

Quelques bateaux à hydrogène ont été mis au point depuis 2000 en Angleterre et en France. Ce sont de petits navires à PAC qui transportent une dizaine de passagers sur de courtes distances. La société norvégienne Havyard a annoncé en 2019 le développement d’un cargo à hydrogène, la compagnie maritime danoise DFDS, s’est engagée en 2020 dans la construction d’un ferry de très grande taille (1.800 passagers, 300 voitures et 120 poids-lourds) MAJ

Le premier prototype d’avion à hydrogène, conçu par Boeing et a volé pour la première fois en 2008. En 2020, Airbus a annoncé un programme de développement d’avions à turbopropulseurs (hélices) ou turboréacteurs pouvant transporter 100 à 200 personnes sur 2000 à 3500 km qui seraient mis en service en 2035 pour décarboner le secteur du transport aérien

L’hydrogène semble donc être un vecteur énergétique intéressant pour décarboner de nombreux modes de transport. Son utilisation dans d’autres secteurs grands consommateurs d’énergies fossiles (chauffage, industrie sidérurgique) est à l’étude.Par ailleurs la production par électrolyse peut accompagner la transition énergétique comme solution de stockage et remédier ainsi aux fluctuations de production des énergies renouvelables (ENR) dans des proportions qui dépendent autant de leurs caractéristiques que des propriétés de l’Hydrogène comme on le verra plus loin.

Marché

A l’échelle planétaire. d’après les estimations de l’Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA), l’hydrogène et ses sous-produits pourraient représenter 14% de la consommation finale d’énergie en 2050, dans un scénario où le réchauffement climatique ne dépasserait pas 1,5 °C par rapport aux valeurs préindustrielles.

Le marché mondial est en forte croissance, estimé à 170 milliards de dollars en 2022 il devrait croître avec un taux de croissance annuel de 9,3% jusqu’en 2030. L’Union européenne et les États-Unis sont les principaux acteurs dans le déploiement de politiques de développement de cette stratégie énergétique.

En France, ce marché est considéré comme un marché d’avenir, même si l’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique est pour l’instant limitée à cause de sa faible compétitivité par rapport aux autres types d’énergies, surtout lorsque l’on parle d’hydrogène vert produit à partir d’énergies renouvelables ou n’émettant que très peu de CO2 dont le coût de production, de l’ordre de 10 €/Kg soit 0,30 € /kwh. Toutefois, dans la cadre de l’alliance européenne pour un hydrogène propre, le gouvernement français a présenté sa stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en septembre 2020 avec un soutien public de près de 10 milliards d’euros d’ici à 2030.

Hors objectifs chiffrés c’est la viabilité du marché qui est le véritable enjeu car son développement doit atteindre une taille critique qui conditionne, et qui est conditionnée par, la capacité à production d’Hydrogène à des prix attractifs tout au long de l’année. A cet égard, les récentes découvertes récentes de gisements d’hydrogène naturel (hydrogène blanc) offrent une ressource nouvelle dont la quantité (actuellement estimée à 10-20 millions de tonnes par an) et le coût d’exploitation restent à établir.

L’écosystème « Hydrogène »

Il est actuellement constitué d’acteurs aux motivations diverses scientifiques et techniques , environnementales et économiques.

Outre les centres de recherche qui ont travaillé sur l’Hydrogène, on trouve des entreprises de toute taille : des géants tels Air Liquide, Linde, Alstom, BMW, Daimler, Engie, Shell, Total, Honda, Toyota, etc. et des entreprises plus petites comme Ballard Power (PAC pour poids lourds), Nel Hydrogen (production et ravitaillement, Powercell (PAC pour navires), H2V (Production par électrolyse), Lhyfe, Ergosup, Hynamics, HRS…

Cet écosystème bénéficie de soutiens et financements publics.

Au cours des dernières années des fonds publics ont été largement mobilisés dans de nombreux pays pour y développer une filière Hydrogène dans des plans pluriannuels de plusieurs milliards d’euros : Allemagne, Danemark,Pays-Bas, Portugal, Corée du Sud, Chine, Japon. 

En France un programme ambitieux de développement a été proposé dans le cadre du plan de relance annoncé en septembre 2020 : d’ici 2030, 9 milliards d’euros de financements publics seront dédiés à ce secteur pour développer

• des filières de la production par l’électrolyse d’une puissance de 6,5 GW capables de produire de 600 000 tonnes/an d’hydrogène « vert » en 2030
• la mobilité lourde à l’hydrogène, et la décarbonation de l’industrie (fabrication d’engrais, raffinage, production d’acier et de ciment),
• financer la recherche l’innovation et le développement de compétences sur les nouveaux usages de l’hydrogène, comme le stockage de l’énergie solaire ou éolienne.

La révision, à la hausse, de cette stratégie fait actuellement l’objet d’une consultation publique.

L’impact du foisonnement des projets et des initiatives pour promouvoir et la mobilité à l’Hydrogène, autant que le montant colossal des investissements privés et publics pour cet ambitieux changement de paradigme méritent qu’on se penche sur les paramètres qui rapportent à sa faisabilité qu’il s’agisse des besoins en ressources (énergie, matériaux), des verrous liés aux propriété physiques et chimiques de l’hydrogène et de la pertinence cohérence économique et environnementale.

Défis de l’utilisation de l’hydrogène

Peut on produire de grandes quantités d’hydrogène neutre en carbone avec les infrastructures « électriques » existantes ?

Aujourd’hui, la réponse est non. L’outil de production d’électricité est dimensionné et ajusté pour répondre aux besoins existants des particuliers et des entreprises (chaleur, éclairage, énergie mécanique). Les périodes où la production d’électricité décarbonée est excédentaire, sont intermittents, difficilement prévisibles et représentent moins de 1% du total. Avec le parc actuel, la production continue d’H2 par électrolyse à très court terme nécessiterait de recourir une production supplémentaire d’électricité avec des centrales thermiques au gaz dont le bilan carbone n’est pas neutre du tout…

« Structures lourdes pour gaz léger »

Demain et après-demain, la solution repose donc sur le déploiement de nouvelles unités de production d’électricité décarbonée à partir d‘énergies renouvelables et de centrales nucléaires et là les chiffres sont très différents selon que l’on considère le secteur de la mobilité ou l’industrie sidérurgique.

Pour atteindre 20 % du transport des personnes ou des marchandise avec de l’hydrogène, il faut massivement augmenter la capacité de production d’électricité décarbonée en France : 120 000 MWh supplémentaires, ce qui représente 6 centrales nucléaires, 1200 km² de panneaux solaire (plus de 2 fois la superficie de Paris) ou encore 24 000 éoliennes !

Au delà de la faisabilité technologique hypothétique et de l’acceptabilité sociale incertaine du déploiement de telles infrastructures pour la production électrique de 20% de la mobilité à l’Hydrogène en 2050 en France coûterait près de 10 milliards d’Euros soit autant ce qui été affecté à la totalité de la filière Hydrogène dans le plan de relance septembre 2020. Viser un ratio de 5 % de la mobilité dans son ensemble ou concentrer la conversion à l’hydrogène au fret routier ou transports en commun fonctionnant aux énergies fossiles marchandises est plus réaliste.

La production mondiale d’acier en 2022 s’est élevée à 1.8 milliards de tonnes dans le monde et 12 millions de tonnes en France. Sachant qu’il faut 35 à 40 kg d’hydrogène pour produire une tonne d’acier sans coke ni gaz naturel on voit que la production « propre » de 30 % l’acier français en 2030 nécessitera 150.000 tonnes d’hydrogène vert soit un quart de l’objectif production à cet horizon.

Pour répondre à la question « comment fait on ? »

Il est aussi indispensable de traiter le sujet de la quantité totale d’énergie et de matériaux consommés et donc des rendements « à tous les étages » autant que la réduction des gaspillages des mobilités présentes et futures.

L’ensemble de la chaîne de valeur, de l’extraction des matières premières des infrastructure de production à leur démantèlement et à leur recyclage,doit être prise en compte pour éviter des sous-estimations de l’impact global d’un recours massif à l’Hydrogène.

Ainsi, le remplacement des énergies fossiles par de l’hydrogène décarboné se traduit (avec les techniques existantes) par le recours à de la silice et de l’aluminium pour les panneaux photovoltaïque si l’on prend l’option solaire, les métaux rares qui dopent les aimants des turbines dans l’option éolien ou par la productions de déchets radioactifs supplémentaires dans l’option nucléaire. Ce n’est pas sans incidence en termes économiques par un effet sur le cours des matières premières « rares », d’acceptabilité sociale (occupation des sols, modification des paysages, …) et d’enjeux géostratégiques. Dans ces conditions, il sera difficile de se passer

• d’un mix énergétique équilibré entre les différentes filières de production de l’électricité décarbonée ;
• d’une l’organisation en réseau qui pose la questions de résilience, de cybersécurité des systèmes de pilotage ou de mise à niveau des parcs électronucléaire et hydraulique, éoliens et photovoltaïque existant, lesquels représentent aujourd’hui près de 90 % de la production électrique nationale ;
• de la poursuite des recherches pour faire fonctionner des nouveaux “engins” et « process » fonctionnant à l’hydrogène en nombre suffisant pour optimiser le rendement et le coût de la production par électrolyse, pour augmenter mes performance et la durée de vie des piles à combustible, améliorer le stockage, le transport et les réseaux d’acheminement, la gestion de la production d’hydrogène phasée avec l’intermittence des productions d’ENR dont l’efficacité doit aussi progresser.
• d’une politique énergétique ouverte à des approvisionnements en Hydrogène vert ou blanc en provenance de l’étranger dans un contexte géo-stratégique tendu.

Le développement d’une filière Hydrogène dans le cadre de la transition énergétique qui s’impose désormais est autant un sujet de choix politique (au sens de la gestion de la cité) et sociétal (en termes de consumérisme) qu’un problème technique. En tirant sur le fil de hydrogène-énergie on débobine la pelote de la « marche du monde » où il y a encore beaucoup à faire pour limiter son effets adverses sur la planète en général et la production de gaz à effet de serre en particulier. Quoi qu’il en soit l’Hydrogène est seulement une partie de la solution.

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