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

Rochain Serge

La preuve, c'est que c'est parru dans l'organe de presse du lobby nucléaire !
Il y a de plus en plus de quoi rire.....seule la France a raison avec ses EPR qui produiront au mieux dans 20 ans ! Mais en attendant les autres avancent avec le renouvelable. C'est comme pour les VE avec Tavares qui a bavé durant 10 ans sur les VE et aujourd'hui il se plaint que les chinois aient des produits qui ont 10 ans d'avance sur les siens ! Nous allons être à la remorque de nos voisins durant 20 ans et sans doute plus et je n'ai surtout pas besoin de lire les délire de Contrepoint pour le savoir.... on a commencé l'hiver dernier et on verra bien au prochain !

Guérin

Carlos Tavares avait (et a toujours) raison car dans la plupart des pays, les voitures électriques produisent plus de CO2 sur leur durée de vie que des voitures à gaz (même fossile).
Quant aux pays vis à vis desquels nous serions en retard, merci de les nommer; comparaison sur les émissions de CO2 France/Allemagne depuis 6 ans:
2017, 2018, 2019, 2020, 2021, 2022
Allemagne: 528, 510, 434, 388, 439, 473 g/kW.h
France: 81, 57, 58, 56, 61, 90 g/kW.h et le "mauvais score" de 2022 c'est à cause des importations venant d'Allemagne.

Rochain Serge

Guerin sait mieux que carbon 4 qui, en passant est dirigée par son gourou ! Mieux aussi que L'ADEME, et mieux aussi que les analystes du MIT. Bref, Guerin sait mieus que tous les spécialistes de la planète qui sont unanimes Même dans le pire des cas le plus mauvais VE est plus écologique que le plus vertueux des VT. : Un VE construit en Chine et qui roule en Pologne !

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...

sirius

Les stations services en pied d'immeubles ont vu interdire le stockage des carburants , à juste titre . Imaginons qu'il s'agisse d'hydrogène .et votre remarque prend tout son sens.. Il faudrait proposer des parcs collectifs hors immeubles ; qui les acceptera ?Et le problème de la sécurité ne sera que déplacé .

Dominique Guérin

Bonjour à tous.
Renzo à en partie raison: le stockage est un problème.
Les émissions de CO2 générées par la production, le transport, le stockage en station de l'hydrogène avec un rendement de 25% (en comprimé) et 20% (en liquéfié) en est un autre, car, au delà d'une production d'électricité à 200 g de CO2 par kW.h, ça fera plus qu'une voiture essence.
Le prix du véhicule en est un troisième: 80.000 € pour le NEXO
La consommation en est un quatrième: le NEXO consomme 0,95 kg de H2 au 100 km soit deux fois plus d'énergie qu'une voiture à batterie.
il y a une batterie en plus de la PAC dans ce type de véhicule (1,56 kW.h pour le NEXO) qu'il faut produire à plus de 100 kg de CO2/kW.h.
S'il faut stocker à bord du méthane et un réformeur je vous propose à 3 fois moins cher une voiture thermique au méthane: c'est très simple et très bon marché et déjà dans les rues en Italie, aux Pays bas, en Iran en j'en oublie sûrement. Un Logan GNV, ç'st vendu 10.000 € et ça fait gagner 25% de CO2, sans particules, sans CO, sans HC.

BEE

bien d'accord avec les deux dernières phrases !
par contre si c'est zéro émission (sauf H2O) cela pourrait être une solution qui simplifie la sécurité de la chaine de distribution du H2, celle du méthane étant de loin beaucoup plus simple.

Abadie

Cyrus Smith dans "l'île mystérieuse " rêvait à cette énergie inépuisable que constitue l'hydrogène, mais je dois aussi rappeler que la cause de leur naufrage sur l'île est due à une fuite de l'hydrogène de leur ballon s'écrasant sur le rivage de l'île mystérieuse.

Abadie

Cyrus Smith dans "l'île mystérieuse " rêvait à cette énergie inépuisable que constitue l'hydrogène, mais je dois aussi rappeler que la cause de leur naufrage sur l'île est due à une fuite de l'hydrogène de leur ballon s'écrasant sur le rivage de l'île mystérieuse.

Amédée

Le sieur Rochain a baissé le masque de son sectarisme militant . Ces gens là sont contre le nucléaire , non pas pour des raisons ayant trait à la sécurité , mais pour des raisons politiques : en tuant le nucléaire , ils ont là le meilleur moyen d'affaiblir la France . Obsession des écolo-gauchistes .

Dominique Guérin

Je pense que nous pourrons reparler de l'hydrogène carburant quand nous produirons de l'électricité par fusion nucléaire avec de l'énergie inépuisable avec très peu d'émissions de CO2. je le souhaite à mes petits enfants.

Ampère

Le problème posé par cet article est celui de la production d'hydrogène comme vecteur de stockage de l'électricité et ce dans l'état actuel des techniques. C'est notamment celles des catalyseurs et du stockage (sous ou moins 700 bars pour ne pas dépasser un volume acceptable). Le rendement final de l'installation (à savoir le rapport entre les kWh consommés et les kWh produits) ne dépasse pas 30 %. Ce chiffre est à comparer aux 70 % (minimum) d'une STEP (Station de Transfert d'Energie par Pompage). Dernier point : les meilleurs catalyseurs sont à base de platine et aucune recherche jusqu'ici n'a permis d'obtenir des résultats comparables avec des matériaux "bon marché".
Au fait, il existe une centrale de production de H2 et d'une génératrice couplée à Fort de France (Martinique) basée sur les résidus de raffinage, ce qui n'est finalement pas idiot, sachant que le CO2 émis l'aurait été avec ou sans production d'Hydrogène.

Albatros

Un grand merci à Hervé pour sa patience et ses argumentations face à l'Illustre et Omniscient Serge Rochain qui nous distrait grandement (moi, il me fait bien rire et je partage souvent pour égayer certains débats car même des fervents de l'éolien parmi lesquels des salariés de constructeurs se marrent) avec ses élucubrations et ses fulminations. Un grand merci à lui aussi !
Quant à l'hydrogène "vert", il me semble que je ne vivrai pas assez longtemps pour "en voir la couleur".
Sincères salutations.

Guérin

Petit calcul de "coin de table":
Le futur parc éolien en mer devant le Tréport et Dieppe n'a pas encore démarré sa construction mais a déjà un contrat d'achat de sa future production d'électricité prioritaire et garantie à 130 € par MW.h.
Avec le rendement de la chaine de production et d'utilisation de l'hydrogène (25% si comprimé, 20% si liquéfié) on est déjà entre 520 et 650 € le MW.h. Ajoutons les amortissements des électrolyseurs (à 1000 €/kW, durée de vie 15 ans) puis des compresseurs, puis des réservoirs, puis des transports, puis de la distribution, puis des piles à combustible, nous serons sûrement à 1000 €/MW.h. Merci de trouver les clients...

Guérin

Rions un peu...
Une voiture tire une remorque contenant un alternateur entraîné par les roues de la remorque et un électrolyseur pour transformer la vapeur d'eau sortant de la pile à combustible de la voiture en hydrogène.
On envoie alors cet hydrogène directement à la pile à combustible sans le comprimer, le stocker ou le liquéfier. Il y a juste à lancer la voiture, ensuite, elle roule toute seule.
Je pense qu'avec cette idée je devrai pouvoir récupérer des M€ auprès des pouvoirs publics...

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