L’hydrogène

L’hydrogène : avenir ou mirage énergétique ?

Amilure vous propose une étude sur une question qui fait débat et parfois rêver autour des enjeux et solutions de la transition énergétique. Bien que le domaine de la transition et production énergétique ne soit pas au cœur de notre mission, nous y restons particulièrement attentifs notamment au regard des impacts sur notre territoire. Les installations industrielles de photovoltaïque, d’éolien, de biomasse voire de projet comme Hygreen nous forcent à regarder cela de plus près.

A ce stade, l’analyse que nous faisons, dans la perspective de l’accélération nécessaire vers une société décarbonée pour lutter contre le dérèglement climatique, aux conséquences désastreuses sur la forêt, la biodiversité et le biotope de la montagne de Lure et du plateau d’Albion, nous invite à être très prudents sur l’avenir de l’hydrogène qui reste probablement, à court et moyen terme, une fausse bonne idée, tant que l’hydrogène natif ne sera pas largement disponible. Le débat est ouvert.

________________________________________

H₂

L’hydrogène, vous ne pouvez pas le manquer : c’est le premier, en haut à gauche quand vous entrez dans la table de Mendeleïev. C’est l’élément le plus important dans l’univers, en masse et en nombre d’atomes. On parle communément d’hydrogène pour désigner en fait le dihydrogène : la molécule de dihydrogène (H₂) est constituée de deux atomes d’hydrogène.

L’hydrogène c’est aussi une des solutions potentielles pour une planète décarbonée : en plus d’être une solution de stockage pour les énergies renouvelables, le gouvernement espère qu’il fera voler un avion en 2035, la SNCF compte sur lui pour propulser des trains régionaux à partir de 2022, des taxis, des bus et des prototypes de bateaux apparaissent et des milliards d’euros d’aides publiques pleuvent partout dans le monde pour soutenir ses nouveaux usages.

En France, le gouvernement a décidé de consacrer à ce vecteur énergétique plus de 7 milliards d’euros d’ici 2030, dont 2 milliards dans le cadre du plan de relance lié à la crise sanitaire de la Covid. Pour la stratégie de transition énergétique programmée dans notre pays mais aussi dans l’Union européenne l’hydrogène semble donc le vecteur énergétique universel, comme en outillage, la pince du même nom.

La place de l’hydrogène dans la transition énergétique

En matière d’énergies dites renouvelables (EnR), on trouve le photovoltaïque et l’éolien (longuement développés dans nos pages), et l’hydroélectricité (principalement l’association barrage et turbines bien connue). Suivent ensuite des énergies vertes qui nécessitent des intrants, comme la biomasse (combustion de matières organiques), le méthane (production de gaz à partir de déchets organiques) et… l’hydrogène qui peut être vert, mais aussi noir, gris, jaune… ce nuancier reflète les émissions de CO₂ qui varient selon la façon dont il est produit.

L’hydrogène est très abondant à la surface de la Terre mais est généralement lié à d’autres éléments chimiques, dans des molécules comme l’eau, les hydrocarbures. Les organismes vivants (animal ou végétal) sont également composés d’hydrogène.

Extraire l’hydrogène de ces ressources primaires que sont les hydrocarbures, la biomasse ou encore l’eau nécessite un apport en énergie. Comme pour l’électricité, on considère ainsi que l’hydrogène est un « vecteur » énergétique qui a de nombreuses vertus, en particulier :

• L’hydrogène pourrait être quasi-inépuisable, à condition de savoir le produire en quantité suffisante à un coût compétitif.
• L’hydrogène peut être stocké par compression (pensez frigo) et transporté.
• L’hydrogène peut être brûlé de différentes façons, avec un ratio énergie/masse 2 à 3 fois supérieur à celui des carburants issus du pétrole et donc remplacer l’usage des énergies fossiles dans de nombreux secteurs émetteurs de CO2 (pétrochimie, chimie, etc.).
• L’hydrogène peut alimenter une pile à combustible (voir encart), pour un apport électrique en mobilité.

Mais comme rien n’est jamais simple, ces débouchés posent toutes sortes de questions, de défis, voire d’inquiétudes, qui sont développées plus bas.

La pile à combustible Une pile « est un dispositif électrochimique qui produit de l’électricité en convertissant l’énergie chimique en énergie électrique grâce à (…) deux substances dont l’une peut céder facilement des électrons (matériau réducteur), et l’autre qui les absorbe (matériau oxydant). » Dans le cas de la pile à combustible, « la génération d’une tension électrique se fait grâce à (…) un combustible réducteur (par exemple l’hydrogène) couplé à (…) un oxydant, tel que l’oxygène de l’air. » C’est une pile, et non une batterie, dans la mesure où le procédé est irréversible : on ne peut pas la recharger en électricité. Par contre, on peut l’alimenter en combustible pour prolonger indéfiniment son usage. Il faut voir ça comme un générateur électrique sans pièces mobiles (puisque le procédé est chimique) dans lequel on fait régulièrement le plein de combustible à la pompe. Aujourd’hui, l’hydrogène semble être le seul combustible sérieusement envisagé, ce qui fait que « pile à combustible » et « pile à hydrogène » sont pratiquement synonymes. Citations : Wikipedia

La production de l’hydrogène et son nuancier

Si bien des sources naturelles d’hydrogène ont été découvertes au fond des mers dans les années 70 et plus récemment à terre, la route est longue avant d’envisager une exploitation rentable. Nous devons donc le produire selon l’un des processus suivants :

• Le reformage du gaz naturel à la vapeur d’eau est la technique la plus répandue aujourd’hui (95 % de la production totale). Le gaz naturel est exposé à de la vapeur d’eau très chaude et libère ainsi le dihydrogène qu’il contient. Mais la production de dihydrogène par reformage – de par l’utilisation de combustibles fossiles pour produire la vapeur d’eau – a l’inconvénient de rejeter du dioxyde de carbone (CO2). C’est pour cela qu’il est « gris ». Si le reformage utilise une source combustible moins polluante, comme le méthane auquel s’ajoute le captage et stockage du CO2, l’hydrogène est considéré « bleu »
• La gazéification : ce traitement thermique sous pression crée un gaz de synthèse (syngas), qui est un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène, de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone. Par vaporéformage, ou vapocraquage, on extrait du dihydrogène de ce syngas. Cette gazéification peut être produite avec du lignite qui est une variété de charbon qui contient un pourcentage d’oxygène et d’hydrogène considérablement plus élevé que le charbon noir. L’hydrogène ainsi produit est « brun ». L’hydrogène « noir » est produit de la même façon, mais à partir de charbon.
• Finalement, l’hydrogène peut aussi être produit à partir d’eau et d’électricité: c’est l’électrolyse de l’eau. L’électrolyseur sépare une molécule d’eau en hydrogène et en oxygène. Cette voie est nettement plus coûteuse (2 à 3 fois plus chère que le reformage du gaz naturel). Ici la couleur varie selon l’énergie utilisée : « jaune » pour le nucléaire, « vert » pour l’éolien et le photovoltaïque.

Note : La qualification du procédé d’électrolyse ne fait pas l’unanimité, comme le concède Alain Prinzhofer, chercheur au laboratoire interdisciplinaire des énergies de demain (Lied) a Science et Avenir. « Vu depuis la France, l’hydrogène “vert” semble vertueux, mais à l’échelle mondiale éoliennes et panneaux photovoltaïques sont peu respectueux de l’environnement et du travail humain ». Il poursuit: « La fabrication d’une éolienne nécessite, par exemple, 400 kg de néodyme, une terre rare extraite en Chine en utilisant des solvants toxiques, cancérogènes, provoquant des ravages sur la faune, la flore et les eaux ». D’où l’espoir du développement d’une troisième voie, celle de l’hydrogène « blanc », c’est-à-dire naturel, dans les poches a gaz découvertes dans la croûte de continents anciens mais dont l’exploration est encore balbutiante. Las, « le plan hydrogène français n’accorde pas une ligne à cette solution » s’alarme Alain Prinzhofer. La solution hydrogène est réelle mais le choix de sa couleur réclame plus de recherches scientifiques.

On l’a compris : la production d’hydrogène est aujourd’hui soit polluante soit hors de prix, bien que sa propre combustion ne produise que de la vapeur et de l’eau.

L’hydrogène et l’électricité

Obtenu à partir de l’électrolyse de l’eau, l’hydrogène ne sera écologique que si l’énergie utilisée pour faire fonctionner les électrolyseurs est verte. Cette demande d’électricité verte implique une conversion massive aux énergies renouvelables car la quantité d’électricité nécessaire à l’opération sera proportionnelle aux objectifs de production, qui sont colossaux.

Dans le contexte de l’énergie, l’intérêt de l’hydrogène est qu’il peut être stocké sous forme de gaz, ce qui compenserait les faiblesses des sources d’électricité intermittentes comme l’éolien ou le photovoltaïque. L’objectif est donc d’utiliser les excédents d’électricité, surabondante lors des jours de grand vent ou de soleil au beau fixe, pour une utilisation lors des longues soirées d’hiver sans vent où l’électricité vient au contraire à manquer.

En produisant de l’hydrogène à partir des surplus de production des EnR, des maisons, des villages, voire des quartiers pourraient ainsi viser l’autosuffisance grâce aux énergies renouvelables augmentées d’une autoproduction d’hydrogène vert.

Mais, si le principe est simple, il demande pour une production significative d’être appliqué à l’échelle industrielle. Il faudra pour cela :

• Une production en série de gigantesques électrolyseurs, eux-mêmes grands consommateurs de métaux et de produits toxiques.
• Des quantités d’électricité considérables pour l’électrolyse elle-même car les perte associées aux processus de conversion sont substantielles. Avec les technologies disponibles aujourd’hui, le rendement de la double conversion électricité > hydrogène > électricité est très faible : il faut injecter près de 5kWh pour en récupérer entre 1 et 2.
• Des volumes d’eau également très importants : installer des électrolyseurs d’une capacité de 40 Gigawatts (GW), comme le préconise Hydrogen Europe, nécessiterait quelque 254 millions de m³ d’eau par an.
• Un gestion complexe du stockage : pour l’entreposer, le transporter et le distribuer, il faut soit le liquéfier à une température extrêmement basse (- 254 °C), soit le comprimer à très haute pression (700 bars) et ces opérations sont très énergivores : sa liquéfaction, par exemple, consomme 10 à 13 kWh d’électricité par kg.
• Une maîtrise des risques car l’hydrogène est un gaz très dangereux : comme il s’agit de la plus petite des molécules gazeuses, les risques de fuites sont plus importants qu’avec n’importe quel autre gaz. Il est en effet difficile de rendre complètement étanche les réservoirs et tuyauteries contenant de l’hydrogène surtout lorsque celui-ci est comprimé à très haute pression : il peut s’échapper par des ouvertures microscopiques. L’hydrogène qui s’échappe s’échauffe en se détendant, ce qui peut être suffisant pour qu’il s’enflamme spontanément. Particularité de l’hydrogène : sa flamme est incolore. Un début d’incendie d’hydrogène ne se voit donc pas.

Il est également important de noter que les coûts d’investissement du stockage d’électricité via l’hydrogène restent prohibitifs et, sans valorisation de l’hydrogène et/ou de la chaleur associée aux pertes de conversion, le rendement sur cycle est encore trop faible (20 à 40%) et la durée de vie des composants trop limitée (quelque 1 000 heures) pour envisager des coûts compétitifs par rapport aux batteries lithium-ion. Évidemment, cette limite économique peut être contournée par un appui financier de l’État (voir plus bas), mais est-ce la solution ?

L’hydrogène et la mobilité

Pour le transport, les évolutions technologiques de la batterie au lithium lui ont permis d’augmenter ses performances et ainsi d’être intégrée par l’ensemble des constructeurs automobiles dans leurs gammes.

Une batterie souffre néanmoins d’inconvénients majeurs pour en faire la seule solution de substitutions aux énergies fossiles :

• Son poids, qui la rend incompatible avec les véhicules de transport de charge lourde
• La durée de charge (40 minutes en charge rapide jusqu’à une demi-journée en charge normale)

Dans ce contexte, quelles sont les spécificités de la pile à combustible, à base d’hydrogène ?

• Le processus de conversion de l’électricité en hydrogène et sa conversion pour alimenter une pile à combustible est terriblement moins efficace qu’une batterie électrique classique sur le marché actuel qui motorise les véhicules électriques (VEB) . Ainsi, pour chaque kW d’électricité fourni, on obtient 800 W pour un VEB, mais seulement 380 W pour un véhicule à pile à combustible, soit moins de la moitié.
• Par ailleurs, le processus de fabrication d’hydrogène, son stockage sous forme liquide, qui nécessite une température constamment inférieure à – 254 °C, et sa transformation en courant électrique font exploser les coûts. Parcourir 700 kilomètres coûte entre 100 et 200 euros : l’opération entraîne une déperdition de 60 % à 70 % de l’électricité utilisée initialement.
• Pour produire de l’électricité au moyen d’une pile à combustible, il faut un système comprenant plusieurs composants clés, notamment le « bloc » de piles à combustible (assemblage de piles conductrices) et la partie classique (dispositif de stockage de l’hydrogène, pompes et systèmes de surveillance et de contrôle, de conditionnement d’alimentation et de refroidissement). On la préfère donc pour alimenter de gros volumes – bus, trains, voire bateaux ou avions.
• Avec sa pile à combustible qui sert à le transformer en électricité, ce gaz prend trop de place pour un véhicule léger. Les piles à combustible sont aussi trop lourdes lorsque les volumes nécessaires sont importants.
• Surtout, la voiture à hydrogène est encore hors de prix. Il faut compter 70 000 euros pour l’achat d’un véhicule individuel, dont la durée de vie sera inférieure à celle d’un véhicule thermique.
• De plus sa fabrication et son fonctionnement génèreront des pollutions diverses (usure des pneus et des freins, énergie grise pour fabriquer les pièces) ce qui, comme pour tout autre véhicule, donne un bilan carbone positif et remet en question le principe vertueux de l’énergie décarbonée.

Paul Lucchesse, co-rédacteur de l’enthousiaste rapport de l’Agence internationale pour l’énergie (AIE) sur l’hydrogène et expert auprès du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), déclare à Reporterre : « On va devoir doubler ou tripler la production d’hydrogène. Cela se traduit en termes d’électricité par un surcroît de capacité électrique mondiale que j’estime entre 20 et 30 % supplémentaires de ce qu’il faudra installer en capacités renouvelables, ce qui est considérable. On ne s’est pas posé la question de savoir comment on va fournir cette électricité, ce qui est un problème. »

Pour mettre cela en contexte, un exemple qui laisse songeur : pour faire fonctionner à l’hydrogène les 3 millions de poids lourds qui sillonnent l’Europe il faudrait la puissance électrique de près de 450 réacteurs nucléaires ou couvrir de panneaux photovoltaïques le double de la surface de la région Île-de-France !

L’Etat croit en l’hydrogène, mais doit-il faire confiance au business ?

Toutes ces contraintes ont longtemps empêché une utilisation de l’hydrogène pourtant éprouvée par de nombreuses expérimentations depuis près d’un siècle. Les industriels espèrent désormais qu’un (généreux) coup de pouce de l’État permettra de changer la donne… « Les performances se sont énormément améliorées depuis une dizaine d’années. Le principal levier sur lequel nous espérons progresser aujourd’hui est celui du prix», note Daniel Hissel, professeur à l’université de Franche-Comté et fondateur d’une start-up consacrée aux piles à combustible. « Pour cela, nous devons passer à un stade industriel qui nous permettra de faire des gains d’échelle. Les marchés aujourd’hui sont très petits et ne nous permettent pas de réduire les coûts. »

Toute une industrie doit donc éclore, grâce aux commandes publiques qui lui offriront des débouchés afin d’amorcer, en théorie, un cycle vertueux de baisse des coûts de fabrication entraînant une hausse de la demande privée. L’argent public devrait aussi permettre de monter un réseau de distribution et de déployer des stations de recharge, en plus de celles qui seront nécessaires pour les voitures électriques à batterie.

Les sommes nécessaires sont vertigineuses (23 milliards d’euros à l’horizon 2030) et beaucoup doutent qu’un marché viable puisse se déployer. « Par quel mécanisme financier un privé s’embêterait-il à produire de l’hydrogène alors qu’il est aujourd’hui prioritaire pour vendre son électricité lorsqu’elle provient de sources renouvelables ? », s’interroge Bertrand Cassoret, chercheur au laboratoire Systèmes électrotechniques et environnement à l’université d’Artois lors de son entretien avec Politis.

Selon les pistes remises en 2015 au ministre de l’Économie d’alors, Emmanuel Macron, par un groupe d’ingénieurs ( « Filière hydrogène-énergie », Jean-Louis Durville, Jean-Claude Gazeau, Jean-Michel Nataf, Jean Cueugniet, Benoît Legait, septembre 2015), le modèle privilégié pour l’heure est celui de subventions publiques (stations de recharge, appels à projets sur des « niches opérationnelles ») et pour que l’hydrogène soit « compétitif », il faudra attendre plusieurs décennies, estiment les industriels, et compter sur un renchérissement considérable de l’énergie, conséquence par exemple d’une sortie progressive du nucléaire et de mesures coercitives réduisant l’usage d’hydrocarbures. D’autres recherches et études géologiques sont menées pour tenter de capter l’hydrogène « naturel » issu de fuite dans le sous-sol de la planète.

Du rêve à la réalité

Dans l’immédiat, l’hydrogène sert l’idéal du « tout électrique », de la « croissance verte » et d’une transition énergétique en réalité synonyme d’une explosion des besoins en électricité qui ne pourront pas être satisfaits sans un doublement (voire davantage) du parc nucléaire ou une explosion exponentielle des installations des usines du vent et du soleil au prix d’énormes atteintes à l’environnement et une défiguration irréversible des paysages, des secteurs agricoles et des espaces naturels.

Nous n’abordons pas ici les problèmes potentiels de stockage, dont les défis sont détaillés dans un article de Connaissance des énergies signé par le D^r Isabelle Moretti. Avec ou sans hydrogène, il n’y aura pas de transition énergétique aboutie sans un considérable effort de sobriété, tiennent donc à rappeler les ONG environnementales.

Sources :

• Culture Sciences de l’ingénieur – ENS Paris-Saclay – Technologies des systèmes de stockage de l’énergie électrique par Hélène HORSIN MOLINARO et Bernard MULTON
• Politis – L’hydrogène fait rêver les industriels par ERWAN MANAC’H (POLITIS)
• Reporterre – Enquête de 3 reportages sur l’hydrogène par Célia IZOARD
• La Tribune – Le pari de l’hydrogène par Stefan AMBEC et Claude CRAMPES
• Le monde de l’énergie – And the winner is : l’hydrogène, par Gérard PETIT
• Gouvernement du Canada – Industrie canadienne – Hydrogène et piles à combustible
• Bernard Deboyser, Hydrogène : vous le voulez vert, bleu, gris, jaune ou nature?