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L’hydrogène sera vraiment « révolutionnaire » s'il est produit à partir des renouvelables...

Christian de Perthuis

Professeur d’économie à l’université Paris-Dauphine - PSL

Fondateur de la Chaire Économie du Climat

De Jules Vernes à Jérémy Rifkin, nombreux ont été les visionnaires anticipant l’avènement d’une société de l’hydrogène. Écoutons l’ingénieur Cyrus Smith, personnage principal de L’Île mystérieuse (1875)(1) : « Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour utilisée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène qui la constituent fourniront une source de lumière et de chaleur inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. »

Longtemps considéré comme un mirage, l’hydrogène revient en force dans le débat énergétique. L’Union européenne a récemment publié sa stratégie hydrogène(2). Et, dans les trente milliards du plan de relance français(3) fléchés sur l’écologie, les deux milliards alloués à l’hydrogène constituent un véritable bond en avant, multipliant par vingt l’argent public préalablement engagé dans ce secteur.

Serions-nous à la veille d’une révolution majeure grâce à ce gaz découvert en 1766 par le chimiste Cavendish, ensuite baptisé « hydrogène » par Lavoisier ?

Si l’hydrogène n’est pas le miracle du roman de Jules Verne, il peut en revanche constituer un vecteur accélérant la transition énergétique(4) vers des sources renouvelables. À condition qu’on l’affranchisse de sa dépendance actuelle à l’égard des énergies fossiles.

L’hydrogène d’hier et d'aujourd'hui : un sous-produit des énergies fossiles

Représentant 75 % de la masse gazeuse du soleil, l’hydrogène est considéré comme l’élément le plus abondant de l’univers. Sur Terre, il est peu présent à l’état pur : très léger, il n’est en effet pas retenu par la gravitation et s’échappe de ses réservoirs naturels.

L’hydrogène est toutefois présent tout autour de nous, combiné à d’autres éléments. On le trouve ainsi dans chaque molécule d’eau. Associé au carbone, il est dans tous les végétaux et animaux. Les énergies fossiles, elles-mêmes issues de la décomposition de la matière vivante, ne font pas exception. L’hydrogène peut être produit en le séparant de ces autres éléments.

D’après l’Agence internationale de l’énergie (AIE)(5), on produit chaque année de l’ordre 70 Mt d’hydrogène pur. La grande majorité de cet hydrogène provient du traitement du gaz naturel (69 %) et du charbon (27 %). L’électrolyse de l’eau et d’autres voies fournissent le reste.

Depuis 1975, la production mondiale d’hydrogène a été multipliée par quatre. Les deux principaux marchés ont été le raffinage du pétrole – où l’hydrogène permet de désulfurer et purifier les combustibles – et la production d’ammoniac, lui-même principalement destiné à la fabrication d’engrais.

Consommation mondiale d'hydrogène par usage

Ce développement rapide de l'hydrogène n’a aucunement contribué à la décarbonation des économies. En 2018, la production mondiale d’hydrogène a provoqué le rejet de 830 Mt de CO2 dans l’atmosphère selon l'AIE, soit l’équivalent de 2,5 fois les émissions de CO2 de la France ou encore 25 % de plus que les rejets de la totalité des vols internationaux de l’année.

Tant que l’hydrogène reste un sous-produit des énergies fossiles, rouler à l’hydrogène ou l’utiliser pour produire de la chaleur permet de réduire les pollutions locales, mais pas d’abattre les rejets de CO2. Le premier enjeu de la révolution de l’hydrogène consiste à basculer vers une production non carbonée.

Demain : hydrogène « gris », hydrogène « bleu » ou hydrogène « vert » ?

« L’hydrogène gris » désigne celui obtenu directement à partir du gaz naturel ou du charbon. Par kg produit, il émet de l’ordre de 9 kg de CO2 à partir du gaz et de 20 kg de CO2 à partir du charbon (voir le graphique ci-dessous). En Europe, la quasi-totalité de l’hydrogène est issue du gaz naturel.

Intensité carbone de la production d'hydrogène

Une première voie pour limiter son empreinte carbone consiste à coupler sa production à des installations de captage récupérant une partie du CO2 avant qu’il ne se dissipe dans l’atmosphère. On obtient alors de « l’hydrogène bleu », limitant les dégâts climatiques sans s’affranchir de la dépendance aux énergies fossiles.

Avec un prix du CO2 de l’ordre de 100 €/tonne, il deviendrait rentable de basculer de l’hydrogène gris vers l’hydrogène bleu.

Dans les conditions actuelles, l’hydrogène gris revient à environ 1,5 €/kg en Europe, soit un peu plus qu’aux États-Unis ou en Chine où gaz et charbon sont bon marché. Par ailleurs, les coûts de stockage et de transport sont limités par la proximité entre les sites de production et de consommation, la plupart des installations actuelles étant situées dans des raffineries ou des complexes pétrochimiques.

Le coût des installations de capture et stockage de CO2 est de l’ordre de 1 €/kg. Autrement dit, avec un prix du CO2 de l’ordre de 100 €/tonne, il deviendrait rentable de systématiser ces installations en basculant de l’hydrogène gris vers l’hydrogène bleu. Avec à la clef, des réductions potentielles d’émission de CO2 de l’ordre de 750 Mt (2 % des émissions mondiales de CO2).

Une autre voie pour produire l’hydrogène est celle de l’électrolyse qui utilise l’énergie électrique pour récupérer l’hydrogène présent dans l’eau. Si on utilise une électricité produite avec du gaz naturel ou du charbon, l’opération n’a pas d’intérêt pour le climat : on rejette par cette voie plus de CO2 qu’en séparant directement l’hydrogène du gaz ou du charbon.

En couplant un électrolyseur à une source décarbonée d’électricité, on obtient de « l’hydrogène vert », non émetteur de CO2.

L’opération est particulièrement intéressante, lorsqu’on dispose d’importantes capacités de production éolienne ou solaire dont le coût unitaire à la production est devenu compétitif, tant face aux filières fossiles que nucléaires, mais dont l’injection à grande échelle se heurte à la difficulté de l’intermittence. L’électrolyse permet alors de stocker les excédents d’électricité en les transformant en hydrogène qui devient un intégrateur des sources renouvelables dans le système énergétique.

Comment rendre l’hydrogène vert compétitif

Le coût de production de l’hydrogène vert par l’électrolyse dépend de trois paramètres : le prix de l’électricité utilisée dans l’électrolyseur, le coût et l’efficacité de cet électrolyseur, les coûts de transport et de stockage qui pèsent dans la balance sitôt que le lieu de consommation est éloigné du site de production.

Actuellement, le coût du kg d’hydrogène vert se situe dans une fourchette de l’ordre de 3 à 6 €/kg, soit de deux à quatre fois celui de l’hydrogène gris. Mais il est dans une dynamique de forte baisse, sous l’impact de la baisse du coût de l’électricité verte et de celui de l’électrolyse.

La production d’hydrogène vert à partir de biomasse renouvelable est une autre voie qui pourrait s’avérer intéressante pour son intégration territoriale.

Les différents plans hydrogène visent à accélérer le mouvement grâce aux changements d’échelle de la production d’électrolyseurs et aux investissements dans les réseaux de stockage et distribution. Cet argent public mobilisé du côté de l’offre permet d’accélérer l’industrialisation des pilotes issus de la recherche et développement. Son usage est pleinement justifié.

Les aides à l’utilisation de l’hydrogène vert sous forme de complément de prix sont plus discutables sous l’angle économique. Elles n’incitent pas suffisamment les producteurs à baisser leurs coûts et stimulent la consommation d’énergie. Elles pourraient être fortement réduites ou disparaître pour un prix du CO2 de l’ordre de 100 à 250 €/t.

La production d’hydrogène vert à partir de biomasse renouvelable est une autre voie qui pourrait s’avérer intéressante pour son intégration territoriale. Elle en est encore au stade expérimental. Deux options sont testées en France : à partir du bois (projets de Vitry-le-François et de Strasbourg(6)) ou à partir de biomasse agricole (utilisation du chanvre dans la Sarthe(7)).

Les nouveaux usages de l’hydrogène

Pour contribuer pleinement à la substitution énergétique, il ne suffit pas de massifier la production d’hydrogène vert. Il convient aussi de développer les usages qui permettent de réduire les émissions de CO2 là où elles sont les plus difficiles à obtenir.

En premier lieu, on peut injecter jusqu’à 10 ou 20 % d’hydrogène vert dans les réseaux de gaz, nettement plus si on convertit une partie de cet hydrogène en méthane via un procédé appelé « méthanation ». Cette voie est actuellement testée en France à Fos-sur-Mer(8). Outre l’intérêt de réduire la part du gaz fossile dans le réseau, son intérêt est de pouvoir capter et réutiliser une partie des rejets de CO2 de l’aciérie de Fos.

En second lieu, l’hydrogène permet de produire de l’électricité à partir de piles à combustible embarquées. Les constructeurs asiatiques Toyota et Hyundai ont commencé à commercialiser des voitures particulières à hydrogène qui ont une autonomie plus grande que les voitures électriques utilisant les batteries. À terme, les applications les plus intéressantes concernent les véhicules utilitaires (bus et camion) pour lesquels le poids des batteries est une contrainte majeure, les trains quand les lignes ne sont pas électrifiées et, sans doute plus tard, les avions.

Enfin, l’hydrogène vert pourrait décarboner demain des procédés industriels où les substituts à l’énergie fossile sont difficiles à développer. Le plus important concerne la production primaire d’acier où le charbon est à la fois utilisé comme source d’énergie et agent réducteur du minerai. L’hydrogène pourrait s’y substituer et fournir de l’acier zéro carbone. Le premier pilote industriel testant cette voie est en développement dans le nord de la Suède, dans le cadre du projet Hybrit(9).

L’Europe face à la révolution de l’hydrogène

La stratégie européenne de l’hydrogène met l’accent sur le développement d’une offre compétitive basée sur des soutiens à la R&D, aux pilotes industriels et aux projets intégrant l’hydrogène dans des écosystèmes plus large. Grâce à différents programmes d’investissement, l’Europe a mis plusieurs dizaines de milliards sur la table.

L’attention nouvelle portée à l’offre constitue une inflexion majeure de la politique climatique européenne qui a reposé jusqu’à présent plus sur le soutien à l’usage d’énergie décarbonée que sur sa production sur le territoire européen.

L’Allemagne et la France projettent d’investir respectivement 9 et 7,2 milliards d’argent public d’ici 2030.

De telles actions favorisant la demande ont abouti, dans le cas de l’énergie solaire et des batteries, à délocaliser une grande partie de la production d’équipements en perdant des potentiels de créations locales de richesses et d’emplois.

L’Allemagne(10), et désormais la France(11), déclinent cette stratégie européenne, en projetant d’investir respectivement 9 et 7,2 milliards d’argent public d’ici 2030. Elles disposent d’atouts non négligeables, avec deux des trois majors de l’industrie mondiale des gaz industriels (Linde et Air Liquide), de grands équipementiers automobiles ou ferroviaires, d’excellents laboratoires de recherche publique et une myriade de start-up dont beaucoup sont issues de ces laboratoires. L’Allemagne s’appuie sur un plan plus rapide de déploiement des énergies renouvelables, support incontournable de l’hydrogène vert.

La clef de la réussite sera moins la quantité d’argent public mis sur la table, que la capacité à faire entrer en synergie tous ces acteurs venus d’horizons différents. C’est à ce prix qu’on fera de l’hydrogène, non pas cette énergie « inépuisable » à laquelle rêvait l’ingénieur de L’Île mystérieuse, mais un puissant intégrateur des énergies renouvelables dans le système énergétique de demain.The Conversation

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Commentaire

Dominique Guérin

Bonjour, monsieur Ronchain.
Merci pour l'exemple allemand qui pour sa production d'électricité émet 6 fois plus de CO2 que la France. Je ne suis pas sûr que ce soit l'exemple à suivre.
à part les pays favorisés par leur géographie et leur faible population comme la Norvège ou l'islande, pourriez vous m'indiquer un pays faisant mieux que la France dans ce domaine s'il vous plait.

Serge Rochain

@Guérin
Vous avez ceci de commun avec Cochelin de rabâcher les mêmes âneries à quelques jours d’intervalle, vous devez faire du copier-coller….. alors je vais faire pareil en vous racontant la même histoire :
Il parait qu’un proverbe chinois dit « quand le sage montre la Lune, l’imbécile regarde le doigt ».
Dans une version moderne on aurait :
Quand un pays, qui émet depuis toujours plus de CO2 que la France mais pourtant de moins en moins depuis 10 ans, change petit à petit ses réacteurs nucléaires et ses centrales à charbon pour les remplacer par des éoliennes, l’imbécile dit que ce sont les éoliennes qui font le CO2.

Et pour la suite je vous propose la Belgique presque aussi nucléarisée que la France et qui est pire émetteur de CO2 que la plupart des pays d’Europe, notamment le Portugale, l’Espagne, l’Angleterre, l’Irlande, Danemark, Suède, Autriche…. qui sont bien moins nucléarisés, voire pas du tout, que la Belgique et qui sont beaucoup moins émetteurs de CO2. Il est donc prouvé que le fait d’être nucléarisé n’est pas ce qui permet d’émettre moins de CO2. En revanche la plupart de ces pays utilisent beaucoup l’éolien certains comme première source d’électricité. De là à penser que les éoliennes ne produisent pas de CO2, certains osent le croire .....
Alors, comme Cochelin, allez vous rhabiller avec votre modèle CO2/nucléaire qui ne démontre rien du tout si ce n’est le contraire de ce que vous avancez.

Dominique Guérin

Nous rabâchons des âneries et sommes des imbéciles qui regardent le doit et vous un personage mal élevé.
Mais, à l'heure ou j'écris‌.
32% de nucléaire et 19% de gaz en Belgique pour 188 g de CO2/kW.H
63% de nucléaire et 7% de gaz en France pour 53 g de CO2/kW.H
128 g au Danemark (champion de l'éolien) et 228 g en Angleterre.
Le Portugal (dont la plus forte puissance installée est l'éolien): 186 g
Il faut copier qui, exactement, je n'ai pas bien compris.

Serge Rochain

Ben oui;, vous persistez à débiter vos âneries et vous en redemandez, je dois être bien patient pour rester dans le domaine de la correction et accepter de vous répondre.
La Belgique ce n'est pas 32% de nucléaire dans le mixe c'est 60% !!!!! : https://www.forumnucleaire.be/actus/nouvelle/le-mix-electrique-belge-en…
Arrêtez vos comparaisons à la seconde qui changent d'une seconde à l'autre vous ne comprenez décidément rien et vous ne savez pas utiliser les outils dont vous disposez comme tout le monde.
Vous n'avez pas bien compris ? Ca ne m'étonne pas !

Dominique Guérin

Dommage pour vous car vous venez de vous piéger vous même: 60% de nucléaire, c'est 60% de bas carbone et pas 60% du mix
(copier/coller): vous ne comprenez décidément rien et vous ne savez pas utiliser les outils dont vous disposez comme tout le monde. Vous n'avez pas bien compris ? Ca ne m'étonne pas !

Serge Rochain

Tant que vous prétendrez que la Belgique ce n'est que 32% de nucléaire dans le mixe et pas 60 .... il n'y aura aucune réponse possible

Dominique Guérin

en capacité installée:
nucléaire: 5,9 GW sur un total de 24,15 GW soit 24%
gaz: 6,8 GW soit 28%
et pourquoi tant de gaz?
par ce que éolien: 4,04 GW: 17%
solaire: 4,53 GW: 19%
avec 1,5 fois plus d'énergie intermittente non pilotée que de nucléaire, inutile de chercher plus loin la raison du gaz et l'origine du CO2...

Serge Rochain

Tant que vous raconterez n'importe quelle ânerie sortie de vos fantasmes comme bases de vos conclusions vos conclusions seront aussi stupides que ce qui leur a servi de base de réflexion. Se tromper de 2,5 fois la réalité, il faut le faire quand c'est si simple à vérifier !!! Il n'y a que Guerin pour être aussi stupide et y revenir avec insistance quand on le détrompe.... non non il a décidé, vous perdez votre temps, Guerin décide de ce que le monde doit être. Mais quand vous comprendrez qu'il tire ses information d'une petit calcul personnel fait sur des infos qui n'ont rien à vois avec la question vous comprendrez pourquoi Guerin marche ...... sur la tête
https://www.forumnucleaire.be/actus/nouvelle/le-mix-electrique-belge-en…

Dominique Guérin

Bonsoir, Serge. Je constate avec plaisir que vous êtes de plus en plus cordial et factuel.
Mes chiffres sont ceux de Electricitymap.

Serge Rochain

Je m'en étais douté et j'attendais cet aveu qui démontre que vous n'avez pas compris ce que dit Electricitymap et vous allez tomber de haut car vos chiffres que je suis tout aussi capable que vous de consulter, mais en comprenant de quoi il s'agit contrairement à vous.
En l'occurrence ce que vous avez appelé puissance installée dans votre message n'a rien à voir avec la puissance installée mais représente la puissance en état de marche et qui produit à ce moment précis où vous le consultez.
Et c'est tout simplement la preuve du faible rendement du nucléaire. La Belgique dispose de 7 réacteurs du puissance totale installée de 5,92GW et actuellement il n'y a que les 2/3 du parc qui soient disponibles (1/3 a l'arrêt pour maintenance, ou pannée ou rechargement de combustible) et ce que vous prenez pour la capacité installée dans le mixe de 24% n'est que le pourcentage de la production du nucléaire dans ce qui est produit à ce moment précis toutes sources additionnées, et n'a donc rien à vois avec la capacité installée.
Vous pouvez voir la capacité installée dans electricityMapen mettant la flèche de la sourie sur la barre horizontale qui indique la production de chaque source une fenêtre s'ouvre avec 3 rubriques, la deuxième ligne de la deuxième rubrique vous indique la production instantanée / capacité installée

Michel CHENEBEAU

Avec toutes mes excuses, le N est une faute de frappe il s'agit des énergies renouvelables, éoliennes et photovoltaïques.

Renzo BEE

Il y a une dimension prioritaire qui n'est jamais prise en compte : celui de la sécurité, car H2 est le gaz le plus dangereux (BLEVE surtout) de tous les gaz. On connait les standards de sécurité très stricts et couteux pour les équipements et installations en Gaz Naturel ou même GPL (interdiction des voitures GN ou GPL de stationner en parking souterrain par exemple). Si on passe à l'H2 stocké pressurisé : entre 350 et 700 bars...(réservoirs de 10cm d'épaisseur), et si le réservoir doit éviter un BLEVE 50 fois plus puissant qu'avec du GPL, il devra les soupapes d'évacuer le gaz pour réduire la surpression...., dans un parking sous-immeuble, ou dans un garage fermé, je ne crois pas que ce sera aussi simple pour l'H2 de mobilité, si il est stocké comme H2.
Ce sera donc plus facile de stocker le H2 sous forme de Méthane, Propane ou Ammoniaque et de posséder l'équipement de réformarge dans la voiture, alimentant la pile à combustible en H2.
le H2 de mobilité ne démarrera qu'en trouvant la solution du stockage qui ne sera jamais en H2 compressé ou cryogénique (encore plus dangereux), il sera soit en Méthane ou mieux Propane ou alors il y aura une solution de stockage "en solide", de type adsorption, ou de stocket de l'ammoniaque.
Cela ne sert à rien de spéculer sur l'origine de l'hydrogène, il faut d'abord choisir la solution du stockage dans une voiture qui sera dans un garage ou dans un parking. Probablement les considérations de H2 vert, bleu, gris ou jaune (NH3) ne sont pas très importantes.
Le bilan CO2 est une chose, l'émission moins polluante des voitures, (vapeur d'eau dans le cas de l'H2) sera le premier critère (cf les directives de l'OMS).
In fine les 2 points clés qui mèneront le débat seront le stockage le moins risqué et la non pollution de l'air.
Au passage, le brulage de bois (pellets) devrait rapidement être arrêtée car contrevenant aux directives de pollution de l'air selon l'OMS.

Dominique Guérin

Film catastrophe: une voiture à hydrogène hyper sécurisée se trouve dans un parking sous terrain sous un immeuble d'habitations et le véhicule d'à coté prend feu...

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