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L'hydrogène vert doit encore faire ses preuves

L’hy​dro​gène : un effet de mode contre l’ef​fet de serre ?

par Cécile Michaut, journaliste scientifique
Le 8 juillet 2021 |
5min. de lecture
En bref
  • De nombreux Etats et entreprises placent leurs espoirs dans l'hydrogène pour lutter contre le réchauffement climatique.
  • Mais la production d'hydrogène (H2) nécessite l'apport d'autres sources d'énergie qui émettent du CO2.
  • Actuellement, 95% de l'hydrogène est produit à partir de combustibles fossiles, car c'est moins cher. Les 5 % restants sont produits par électrolyse, ce qui nécessite de l'électricité provenant du réseau (également issue de combustibles fossiles).
  • Pour en faire réellement un carburant vert, d'importants investissements en R&D seront nécessaires, associés à de fortes incitations réglementaires.

Cet article fait par­tie de notre maga­zine Le 3,14 dédié à l’hy­dro­gène. Décou­vrez-le ici

L’hy​dro​gène est à la mode. Cer­tains États et entre­prises placent en cet élé­ment chi­mique beau­coup d’es​poir pour lut­ter contre le réchauf­fe­ment cli­ma­tique et rem­pla­cer à terme les éner­gies fos­siles. Pas une semaine, ou presque, sans une annonce enthou­siaste concer­nant ce gaz comme vec­teur d’éner​gie : un bus à hydro­gène pour la com­pa­gnie Trans­dev, un véhi­cule uti­li­taire à hydro­gène et pile à com­bus­tible dévoi­lé par Citroën ou bien encore un réseau d’hy​dro​gène trans­fron­ta­lier entre la France, l’Al​le​magne, et le Luxembourg. 

Il faut dire qu’à pre­mière vue, il a tout pour plaire. Lors​qu’on le brûle ou qu’on le consomme à l’aide d’une pile à com­bus­tible, on récu­père de l’éner​gie ther­mique ou élec­trique et de l’eau sans pro­duire de pol­luants. Pour­tant, sa pro­duc­tion actuelle est très émet­trice de car­bone, et pour qu’il devienne une éner­gie verte, il fau­dra réa­li­ser de gros inves­tis­se­ments en R&D com­bi­nés à de fortes inci­ta­tions réglementaires.

Le trans­fert d’élec­trons qui se pro­duit au cours de ce pro­ces­sus génère de l’élec­tri­ci­té à par­tir de l’hy­dro­gène, le seul sous-pro­duit étant l’eau. Les piles à hydro­gène pro­duisent donc une éner­gie dite « propre », et c’est la façon dont l’hy​dro​gène est pro­duit qui est sus­cep­tible de géné­rer de la pol­lu­tion. Cette trans­for­ma­tion est actuel­le­ment inef­fi­cace : dans le meilleur des cas, seule­ment 65% de l’éner​gie est transférée. 

La pro­duc­tion d’H2 émet du CO2

Si l’hy​dro​gène est le consti­tuant majo­ri­taire de l’u​ni​vers, sur Terre les atomes d’hy​dro​gène n’existent presque pas à l’é​tat de gaz de H2 pur dont il est ques­tion dans l’en​semble de ce dos­sier (ou dans les filières hydro­gène). On ne peut donc pas s’en ser­vir comme source, mais on peut néan­moins l’u​ti​li​ser comme vec­teur d’éner​gie, tel que l’élec​tri​ci​té. Cela signi­fie qu’il doit être pro­duit à par­tir d’autres éner­gies poten­tiel­le­ment émet­trices de CO2.

Aujourd’​hui, l’hy​dro​gène issu du refor­mage du méthane, une méthode de pro­duc­tion émet­trice de CO2, coûte envi­ron 1 € par kilo, contre 4 à 6 € par kilo lors​qu’il est pro­duit par élec­tro­lyse. Loi du mar­ché oblige, 95 % de l’hy​dro​gène est donc pro­duit par refor­mage (voir l’en​ca​dré « Un peu de chi­mie pour com­prendre l’hy​dro​gène »). Les 5 % res­tants, pro­duits par élec­tro­lyse, pour­raient être verts à condi­tion que l’élec​tri​ci​té uti­li­sée soit elle-même décar­bo­née (renou­ve­lable ou nucléaire), ce qui n’est pas tou­jours le cas (notam­ment avec les cen­trales à char­bon). 70 mil­lions de tonnes d’hy​dro​gène sont pro­duites par an dans le monde, entraî­nant l’é​mis​sion de 830 mil­lions de tonnes de CO2, soit 2 % des émis­sions mon­diales, un taux com­pa­rable à celui du sec­teur aérien. 

Alors pour­quoi cet engoue­ment ? Parce qu’à terme, il semble être l’un des sub­sti­tuts pos­sibles aux éner­gies fos­siles. Des indus­tries aujourd’​hui très émet­trices de CO2, comme la métal­lur­gie ou la ver­re­rie, pour­raient en béné­fi­cier. En prin­cipe, il pour­rait aus­si per­mettre une révo­lu­tion dans le sec­teur des trans­ports : les véhi­cules à hydro­gène n’é​met​tant pas de pol­luant au moment où le car­bu­rant est consom­mé, leur géné­ra­li­sa­tion pour­rait limi­ter la pol­lu­tion des villes. Enfin, le mix éner­gé­tique du futur, pour­rait comp­ter sur l’hy​dro​gène pour sto­cker l’élec​tri​ci​té pro­duite par les éner­gies renou­ve­lables inter­mit­tentes (éolien, solaire). 

Sto­ckage, sécu­ri­té, coût… des défis à surmonter

Dif­fi­cile de faire des pros­pec­tives fiables tant le futur de l’hy​dro​gène dépen­dra de nom­breux fac­teurs : coût et dis­po­ni­bi­li­té des éner­gies fos­siles, régle­men­ta­tion des émis­sions de CO2, inci­ta­tions finan­cières aux éner­gies propres. Néan­moins, on peut rete­nir quatre débou­chés prin­ci­paux pour l’H2 : l’op​ti​mi​sa​tion du réseau élec­trique lorsque celui-ci accueille beau­coup d’éner​gies inter­mit­tentes, l’au​to​-consom​ma​tion locale pour les zones non connec­tées au réseau élec­trique, le déve­lop­pe­ment de véhi­cules élec­triques à hydro­gène, et enfin l’in​dus​trie.

Certes, ce gaz est uti­li­sé depuis des décen­nies dans l’in​dus​trie (essen­tiel­le­ment pour la pétro­chi­mie, les acié­ries et la pro­duc­tion d’en​grais azo­tés). On sait le pro­duire, le trans­por­ter dans des pipe­lines, et l’u​ti​li​ser en toute sécu­ri­té (voir l’ar​ticle sur le sto­ckage), mais les pro­blèmes posés par l’hy​dro​gène​-éner​gie sont nom­breux et com­plexes. Com­ment le pro­duire de manière éco­no­mique et peu pol­luante ? Com­ment l’u​ti​li​ser de manière sûre au quo­ti­dien, et plus seule­ment dans l’in​dus​trie ? Com­ment le sto­cker dans les voi­tures, les bus ou les avions, sachant qu’il doit être conser­vé sous haute pres­sion ? Com­ment adap­ter les infra­struc­tures si les tuyaux de gaz actuels ne suf­fisent pas ? Com­ment amé­lio­rer les ren­de­ments de conver­sion éner­gé­tique (voir l’article sur la conver­sion) ?

Car, nous l’a​vons dit, l’hy​dro​gène est avant tout un moyen de sto­cker l’élec​tri​ci​té. Dans le cas des éner­gies renou­ve­lables, par exemple, la pro­duc­tion d’élec​tri​ci​té en période de grand vent ou de grand soleil par les éoliennes et les pan­neaux pho­to­vol­taïques ne cor­res­pond pas tou­jours à la consom­ma­tion. Il faut donc pou­voir sto­cker cette élec­tri­ci­té, mais les bat­te­ries actuelles sont sur­tout adap­tées au sto­ckage à court terme. Les pro­mo­teurs de l’hy​dro​gène sug­gèrent donc d’u​ti​li​ser cette élec­tri­ci­té pour pro­duire de l’hy​dro​gène par élec­tro­lyse, sto­cker cet hydro­gène aus­si long­temps qu’on le sou­haite, puis conver­tir cet hydro­gène en élec­tri­ci­té grâce à une pile à com­bus­tible. Mais pour le moment, le ren­de­ment glo­bal n’est que de 25 % 1. Peut-on se per­mettre de gâcher les trois quarts de l’élec​tri​ci​té produite ?

Tous ces défis ne pour­ront être rele­vés qu’à deux condi­tions. Tout d’a​bord, un effort de R&D sans pré­cé­dent, pour lever les freins tech­niques. Mais éga­le­ment des inci­ta­tions finan­cières : à ce stade, et compte tenu des coûts de pro­duc­tion, on voit dif­fi­ci­le­ment com­ment l’hy​dro​gène vert par élec­tro­lyse pour­rait prendre des parts de mar­ché sans que les entre­prises ne soient inci­tées à le pro­duire aux dépens des modes de pro­duc­tion carbonés. 

Un peu de chi­mie pour com­prendre la pro­duc­tion d’hy​dro​gène

Le refor­mage du méthane consiste à faire réagir du méthane (gaz natu­rel) avec de la vapeur d’eau, en pré­sence d’un cata­ly­seur. L’é​qua​tion de la réac­tion chi­mique montre que la pro­duc­tion de CO2 est inévi­table par cette méthode :

CH4 + 2 H2O → 4 H2 + CO2

On pro­duit donc une molé­cule de CO2 pour 4 molé­cules d’hy​dro​gène (pour être chi­mi­que­ment exact, on devrait par­ler de molé­cule de dihydrogène).

La pro­duc­tion d’hy​dro​gène à par­tir de char­bon est encore pire :

C + 2 H20 → CO2 + 2 H2

On ne pro­duit que deux molé­cules d’hy​dro​gène pour une molé­cule de CO2

En revanche, l’élec​tro​lyse de l’eau ne pro­duit pas de CO2 :

2 H2O → 2 H2 + O2
Mais cette réac­tion est for­te­ment consom­ma­trice d’élec​tri​ci​té.

La pyro­lyse du méthane (voir l’inter­view de Laurent Ful­che­ri) consomme du méthane, mais ne pro­duit pas de CO2 contrai­re­ment au refor­mage. Elle néces­site tout de même de l’élec​tri​ci​té, mais 4 à 7 fois moins que l’élec​tro​lyse.

CH4 → C + 2 H2

Pour aller plus loin

1https://​www​.ademe​.fr/sites​/default​/files​/assets​/documents​/rendement-chaine-h2_fiche-technique-02–2020.pdf↑

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