Pourquoi l’hydrogène est émetteur de CO2

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

L’hydrogène gris

Par « hydrogène gris », on entend l’hydrogène pro­duit à par­tir de com­bustibles fos­siles. C’est le mode de pro­duc­tion qui est, de très loin, le plus employé pour pro­duire l’hydrogène aujourd’hui. C’est aus­si celui qui présente le bilan car­bone le plus défavorable.

Loin de son poten­tiel futur comme vecteur d’énergie, l’hydrogène sert actuelle­ment surtout de matière pre­mière dans l’industrie, que ce soit dans le raf­fi­nage pétroli­er pour l’hydrocraquage et la désul­fu­ra­tion des car­bu­rants (env­i­ron 44 % de la demande), dans la syn­thèse d’ammoniac pour les engrais azotés (38 %), pour la pro­duc­tion de cer­tains pro­duits chim­iques (8 %), ou encore dans l’industrie ali­men­taire et divers­es autres appli­ca­tions (10 %). Ces besoins, qui représen­tent 75 mil­lions de tonnes d’hydrogène par an à l’échelle mon­di­ale, sont donc cou­verts à 48 % par le procédé de refor­mage du gaz naturel, à 30 % à par­tir d’hydrocarbures pétroliers et à 18 % par gazéi­fi­ca­tion du char­bon. Cette pro­duc­tion s’accompagne de l’émission d’un mil­liard de tonnes de CO₂ chaque année. L’électrolyse de l’eau, beau­coup moins car­bonée – mais tout dépend du mix élec­trique util­isé – cou­vre à ce jour moins de 5 % de la demande. 

Pourquoi les com­bustibles fossiles ?

Dans tous les cas, la fab­ri­ca­tion d’hydrogène passe par la décom­po­si­tion de la molécule d’eau, une opéra­tion qui demande une grande quan­tité d’énergie : 121 méga­joules pour pro­duire 1 kg d’hydrogène. Dans les procédés con­ven­tion­nels, une par­tie de cette énergie est apportée par la réac­tion d’un com­bustible avec de la vapeur d’eau à haute tem­péra­ture. Le mélange de com­bustible et d’eau est alors con­ver­ti par la réac­tion de refor­mage, en un mélange de monoxyde de car­bone (CO) et d’hydrogène. Cette opéra­tion demande néan­moins l’apport d’un com­plé­ment d’énergie, qui est apporté par la com­bus­tion de fuel ou de gaz afin de main­tenir le réac­teur de refor­mage à la bonne tem­péra­ture opéra­tionnelle. Après cette pre­mière étape, il est néces­saire de recourir à une opéra­tion de « water gas shift » (réac­tion du gaz à l’eau) afin de con­ver­tir le CO, très tox­ique, en CO₂ par réac­tion avec de la vapeur d’eau à moyenne température.

Au bilan, on con­state que du CO₂ est généré en grande quan­tité aux dif­férentes étapes du procédé : con­ver­sion du CO issu du reformeur, com­bus­tion de fuel pour la pro­duc­tion de vapeur et pour l’apport énergé­tique dans le reformeur. Pour chaque tonne d’hydrogène pro­duite, ce sont ain­si près de 12 tonnes de CO₂ qui sont libérées dans l’atmosphère. 

Si le refor­mage des com­bustibles fos­siles reste, mal­gré son bilan car­bone exécrable, le procédé le plus util­isé, c’est en rai­son d’un avan­tage décisif en matière de coûts. L’hydrogène issu du refor­mage de gaz naturel en grand vol­ume coûte env­i­ron 1,5 €/kg, là où celui pro­duit par élec­trol­yse de l’eau revient à 6 €/kg. Notons néan­moins que, même au coût le plus bas, l’hydrogène revient encore 3 fois plus cher que le gaz naturel à quan­tité d’énergie équivalente.

En plus des prob­lèmes de prix de revient et d’émissions de GES, l’hydrogène souf­fre de capac­ités de pro­duc­tions encore très insuff­isantes pour représen­ter à ce jour une solu­tion viable pour la tran­si­tion énergé­tique. En effet, si elle était con­sacrée inté­grale­ment à la con­ver­sion d’énergie, la pro­duc­tion mon­di­ale actuelle d’hydrogène cou­vri­rait à peu près 214 Mtep (mil­lions de tonnes équiv­a­lent pét­role). Or, la demande mon­di­ale annuelle d’énergie est de 14,5 Gtep (mil­liards de tep). Ain­si, il faudrait accroître la pro­duc­tion d’un fac­teur 14 pour que l’hydrogène puisse cou­vrir 20 % de la con­som­ma­tion énergé­tique mon­di­ale. Pour que cela ait un sens, il est évi­dent que cela ne pour­ra pas se faire avec de l’hydrogène gris !

Con­ver­sion énergé­tique de l’hydrogène

On par­lera donc ici de con­ver­sion énergé­tique d’hydrogène d’origine renou­ve­lable de préférence. L’hydrogène est un com­posé très ver­sa­tile, qui peut être con­ver­ti en énergie de dif­férentes manières :

- Sous forme ther­mochim­ique, par réac­tion avec des réac­t­ifs appro­priés. On obtient alors une énergie poten­tielle, aisé­ment stock­able sur de longues durées et util­is­able à la demande. Par le procédé Sabati­er, en util­isant du CO₂ comme réac­t­if, on obtient du méthane syn­thé­tique qui peut ensuite servir de com­bustible pour l’industrie et les trans­ports ou être injec­té dans les réseaux. Ce con­cept est con­nu sous le voca­ble « pow­er to gas », dans le cas où l’hydrogène util­isé provient de l’électrolyse de l’eau. Par le procédé Fis­ch­er-Trop­sch, on obtient des com­bustibles liq­uides (« pow­er to liq­uids »). Par le procédé Haber-Bosch on obtient, en com­bi­nant l’hydrogène avec l’azote de l’air, de l’ammoniac facile­ment stock­able et qui peut lui-même servir de combustible.

- Sous forme de chaleur et de tra­vail mécanique, par com­bus­tion dans l’air ou avec l’oxygène pur. C’est notam­ment le principe du moteur-fusée, util­isé sur cer­tains étages des fusées Ari­ane. Cette solu­tion fait par­tie des moyens envis­agés pour propulser les futurs avions à hydrogène. L’hydrogène peut égale­ment être addi­tion­né en quan­tité lim­itée aux com­bustibles con­ven­tion­nels, dans les réseaux de gaz naturel ou pour ali­menter les moteurs à com­bus­tion interne.

- Sous forme de chaleur et de tra­vail élec­trique, par oxy­da­tion ménagée dans une pile à com­bustible (PàC). Il existe aujourd’hui une grande var­iété de tech­nolo­gies de PàC, cer­taines très matures, d’autres tout juste par­v­enues au stade com­mer­cial, d’autres enfin, encore en développe­ment. L’un des enjeux majeurs est d’optimiser le ren­de­ment élec­trique des PàC, qui se lim­ite aux alen­tours de 60–65 % dans le meilleur des cas. Cela sig­ni­fie que seule 60 à 65 % de l’énergie ther­mochim­ique trans­portée par le com­bustible est effec­tive­ment con­ver­tie en tra­vail élec­trique, le reste étant per­du sous forme de chaleur. Si cette chaleur est pro­duite à basse ou moyenne tem­péra­ture (< 500 °C par exem­ple), elle est dif­fi­cile­ment val­oris­able, alors que la chaleur pro­duite à haute tem­péra­ture (entre 700 et 1000 °C) peut être con­ver­tie en tra­vail mécanique avec une bonne effi­cac­ité. C’est tout l’enjeu des piles à com­bustible à car­bon­ates fon­dus (MCFC) ou à oxy­des solides (SOFC). Quoique promet­teuses pour cer­taines appli­ca­tions – fix­es en général – ces tech­nolo­gies haute tem­péra­ture en sont encore à un stade pré­coce de leur développe­ment. Les PàC les plus employées sont celles à élec­trolyte liq­uide (solu­tion alca­line ou acide) et à mem­branes échangeuses de pro­tons (PEMFC pour « pro­ton exchange mem­brane fuel cell »), qui tra­vail­lent à des tem­péra­tures mod­érées. Les PàC pour la mobil­ité appar­ti­en­nent pour l’essentiel cette dernière tech­nolo­gie, qui reste néan­moins coû­teuse en rai­son des matéri­aux qu’elle utilise (mem­brane, catal­y­seur à base de platine). 

On peut espér­er que les recherch­es en cours et le développe­ment d’un marché de masse per­me­t­tront aux PàC de con­naître des pro­grès com­pa­ra­bles à ceux réal­isés par les bat­ter­ies, en ter­mes de coûts et d’efficacité, et à l’hydrogène de trou­ver sa place dans la tran­si­tion énergétique.