Tout savoir sur l’hydrogène 

Sommaire :

• Définition
• Où trouver de l’hydrogène
• Méthodes de production
• Les différentes typologies
• Les usages
• Les avantages pour la transition énergétique
  • Dans les transports
  • Dans l’industrie
  • Dans l’énergie

Le dihydrogène (formule H2) est l’élément chimique gazeux le plus présent sur Terre et est composé de deux molécules d’hydrogène. Cette molécule disposant d’un pouvoir calorifique très fort, on la considère comme un vecteur d’énergie et non pas une énergie. Ce gaz est inodore, incolore et non corrosif.

 

La molécule de dihydrogène n’existe que très rarement à l’état naturel. Nommé hydrogène blanc, sa production ne s’accompagne d’aucune émission de dioxyde de carbone, car il est généré naturellement par la Terre. L’hydrogène blanc a été détecté pour la première fois dans les années 1970 dans les fonds marins. Sur le continent, des puits naturels terrestres existent, résultat de l’échappement de gaz du manteau terrestre. L’exemple le plus connu est celui de puits au Mali. En France, diverses sources d’hydrogène blanc ont été détectées en Moselle, dans la Drôme, la Côte-d’Or, le Cotentin ou encore les Pyrénées.

Bien que prometteuse, l’exploitation de ces sources n’est pas aujourd’hui viable. L’hydrogène présent dans des puits naturels est mélangé avec des gaz tels que l’azote ou l’hélium. Pour l’exploiter, il faut donc procéder à sa purification. Quant aux sources océaniques, elles sont difficiles à exploiter car situées à plusieurs centaines de mètres ou kilomètres de profondeur. Bien que prometteuse, cette filière n’en est qu’à ses balbutiements.

Pour produire de l’hydrogène, il est donc nécessaire d’extraire les atomes d’hydrogène des sources ou matières premières qui en contiennent.

On trouve de l’hydrogène, combiné à d’autres atomes pour donner de nouveaux éléments chimiques, dans :

• L’eau en combinaison avec l’oxygène (H2O).
• Les sources fossiles :
  • Les hydrocarbures (HC) avec le pétrole et le méthane, qui est une des composantes principales du gaz naturel (CH4)
  • Le charbon (constitué de carbone, d’oxygène et d’hydrogène).
• La biomasse, comme le bois, ou des combustibles issus de la biomasse comme le biogaz.

 

Étant donné que l’hydrogène existe majoritairement combiné à une autre molécule, pour l’obtenir et donc la produire, il faut procéder à une scission. Quatre procédés principaux permettent de produire de l’hydrogène.

• Le vaporeformage consiste à mélanger des hydrocarbures à de la vapeur d’eau afin de scinder les molécules et isoler l’hydrogène. C’est le procédé le plus répandu mais aussi celui qui pollue le plus car il génère beaucoup de dioxyde de carbone (CO2)
• L’électrolyse de l’eau requiert l’utilisation d’électricité pour séparer les molécules de l’eau en hydrogène et oxygène. Ce mode de production est pour le moment encore peu développé car très coûteux, mais il représente une solution d’avenir afin d’obtenir de l’hydrogène vert ou renouvelable. La France s’est fixé un objectif de capacité de production de 6,5 GW d’électrolyseurs installés à horizon 2030.
• La pyrogazéification, qui décompose du bois ou des déchets, sous l’effet de la chaleur, pour en extraire un gaz complexe, dont on peut extraire de l’hydrogène. La pyrolyse du méthane pourrait présenter un moyen alternatif pour produire de l’H2 bas carbone, tout en bénéficiant des infrastructures gazières naturelles existantes et en pérennisant leur utilisation.
• L’oxydation d’hydrocarbure consiste à créer une réaction chimique entre un hydrocarbure et de l’oxygène.

 

 

Selon la façon dont il est produit, on recense quatre types d’hydrogène classés par couleur : 

• Vert : on part alors d’hydrogène renouvelable lorsque l’électrolyse de l’eau est issue des énergies renouvelables comme l’éolien, l’hydrolien, le solaire, la géothermie, par exemple.
• Jaune : l’hydrogène jaune est issu de l’électrolyse de l’eau générée à partir du nucléaire.
• Gris : l’hydrogène gris est fabriqué en utilisant des énergies ou sources fossiles, comme le charbon ou le gaz naturel en émettant du CO2, sans qu’il ne soit stocké et réutilisé.
• Bleu : le principe de fabrication est le même que pour l’hydrogène gris. La différence réside dans le fait que le CO2 émis est stocké et réutilisé ensuite.
• Turquoise : l’hydrogène turquoise est produit à partir de la pyrolyse du méthane. Elle consiste à convertir du gaz naturel en hydrogène et en carbone solide.

 

Avant de pouvoir être utilisé, l’hydrogène doit être stocké. En fonction de son mode de stockage, il doit être transformé. Quatre manières de stocker l’hydrogène existent :

• sous forme liquide,
• sous haute pression,
• sous basse pression,
• sous forme d’hydrure métallique.

Historiquement et depuis le XIXe siècle, l’hydrogène est essentiellement utilisé dans le secteur industriel. Notamment dans l’industrie chimique afin de produire de l’ammoniac et du méthanol. L’hydrogène entre aussi dans le processus de raffinage de carburants, dans la production de ciment, de fer et d’acier.

L’énergie stockée dans l’hydrogène peut être récupérée de deux manières :

• par l’utilisation d’une pile à combustible en recombinant du dihydrogène et du dioxygène afin de créer, dans le même temps, de l’eau, de la chaleur et de l’électricité.
• par combustion avec du dioxygène.

Le fort pouvoir calorifique de l’hydrogène fait de son fait de lui un incontournable pour la stratégie de transition énergétique et pour décarboner de nombreux secteurs dans les années à venir.

 

L’hydrogène peut contenir trois fois plus d’énergie que l’essence. Partant de ce postulat, la production d’hydrogène issu des énergies renouvelables constitue l’un des principaux enjeux pour la transition énergétique. 

L’hydrogène pourrait remplacer les énergies fossiles : 

• comme gaz industriel ; 
• dans les piles à combustibles ; 
• comme vecteur énergétique pour accompagner les énergies renouvelables qui sont, par nature, intermittentes ; 
• comme source d’énergie pour la mobilité lourde. 

En 2018, la France a dévoilé son Plan de déploiement de l’hydrogène pour la transition énergétique. Celui-ci prévoit d’intégrer l’hydrogène renouvelable dans la décarbonation de l’industrie et comme source d’énergie pour les transports.

 

Face à l’enjeu climatique, la mobilité hydrogène répond à des besoins spécifiques du marché (autonomie, puissance). L’utilisation de l’hydrogène peut être adaptée à de nombreuses mobilités et apporte une réponse complémentaire à celle du véhicule électrique. Aujourd’hui la mobilité hydrogène peut-être assurée par deux solutions :

1. Un véhicule hydrogène à pile à combustible (FCEV),
2. Un véhicule à combustion interne d’hydrogène (H2 ICE).

 

Le véhicule à hydrogène à pile à combustible (FCEV pour fuel cell electric vehicle) est un véhicule électrique alimenté par une pile à combustible. Celle-ci est utilisée pour récupérer l’énergie électrique stockée dans l’hydrogène afin de propulser un véhicule. C’est donc un véhicule électrique alimenté par un réservoir d’hydrogène gazeux. Il est zéro-émission du réservoir à la roue (particule ou polluant) et offre le confort opérationnel d’un véhicule thermique. Son seul rejet à l’échappement est de l’eau.

Sur le terrain des mobilités lourdes, la forte capacité de stockage d’énergie de l’hydrogène permet, en s’exonérant de la contrainte massique des batteries, d’alimenter des véhicules exigeant une forte puissance ou une grande autonomie. Les trains ou encore bateaux de type ferry, bateau de travail ou barges maritimes et fluviales peuvent ainsi être équipés d’une pile à combustible alimentée par une station de recharge.

Vélos, bus, camions, bennes à ordures ménagères : aujourd’hui, des flottes de véhicules professionnels (collectivités, entreprises) sont déjà déployées sur le territoire. Il s’agit de véhicules utilitaires légers et de berlines (taxis) ou encore de flottes de bus. Plusieurs collectivités ont déjà passé commande. En Bretagne par exemple, Lorient Agglomération prévoit le déploiement d’une flotte de bus à hydrogène à horizon 2024.

France Hydrogène prévoit, à horizon 2030 :

• le déploiement de 1 000 à 1 700 stations hydrogène ;
• 300 000 à 450 000 véhicules légers ;
• 5 000 à 10 000 poids lourds ;
• 65 à 135 bateaux.

Par rapport à un véhicule électrique, le véhicule hydrogène se distingue donc par :

• Un temps de recharge proche de celui d’un véhicule à carburant traditionnel (sous réserve d’existence d’un réseau de stations suffisant) ;
• Une autonomie accrue et/ou la capacité de répondre à des appels de charges plus importants (mobilité lourde) ;
• Un avantage de masse du véhicule significatif (en comparaison avec le véhicule électrique et sa batterie). Ainsi, pour des besoins d’énergies embarquées supérieures à 100kWh, il offre un avantage massique significatif

Les inconvénients sont notamment des coûts d’achat et de fonctionnement élevés (liés au prix de l’hydrogène) et la nécessité d’une infrastructure de ravitaillement en carburant. La production industrielle des systèmes de propulsion à l’hydrogène et la généralisation des usages contribuera à faire diminuer le coût d’acquisition des véhicules et du carburant.

Aussi, même si son rendement énergétique global est moins bon que celui de la mobilité électrique à batterie, la mobilité hydrogène répond donc aux enjeux de protection de l’environnement en termes de diminution des émissions de CO2.

 

2.Le véhicule à combustion interne d’hydrogène (ICE H2)

Pour des usages très intensifs et ne nécessitant pas une solution zéro émission, l’hydrogène décarboné peut être appliqué directement dans les moteurs thermiques. C’est ce que l’on appelle le véhicule à combustion interne d’hydrogène ou ICE H2 pour Hydrogen Internal Combustion Engine.

L’émergence du moteur à combustion hydrogène est favorisée par l’implication forte des motoristes mais aussi par la possibilité de pouvoir utiliser un hydrogène à la pureté inférieure à celle exigée par les piles à combustible. Le moteur à combustion hydrogène est globalement similaire à un moteur à essence ou diesel.

La solution du véhicule ICE H2 compte plusieurs avantages, notamment celui de pouvoir utiliser les installations de production existantes, un coût initial maîtrisé du véhicule et une forte puissance et densité d’énergie. Les inconvénients sont les coûts de fonctionnement élevés (lié au prix de l’hydrogène), la nécessité de disposer d’une infrastructure de ravitaillement en carburant dédiée et les émissions de NOX des moteurs (en faible quantité).

 

La stratégie nationale bas carbone fixe à 53 millions de tonnes de CO2 en France par an en 2030 (contre 80 millions en 2021). Pour atteindre cet objectif, deux leviers d’action sont ambitionnés : tout d’abord décarboner les principaux sites industriels utilisant d’ores et déjà de l’hydrogène dans leur process et, au-delà des usages actuels de l’hydrogène, convertir d’autres secteurs à l’hydrogène renouvelable ou bas carbone.

En France, 780 000 tonnes d’hydrogène gris étaient utilisées en 2021 pour les activités de raffinage, production d’engrais, synthèse des matières plastiques, verrerie ou chimie. Le principal levier d’action consiste donc à remplacer cet hydrogène gris par de l’hydrogène décarboné et/ou renouvelable, produit via des giga électrolyseurs. À horizon 2030, le plan de déploiement de l’hydrogène en France intègre un objectif de production de 475 000 tonnes par an d’hydrogène renouvelable afin d’alimenter l’industrie française par de l’hydrogène renouvelable ou bas carbone. La France s’est fixé un objectif de capacité de production de 6,5 GW d’électrolyseurs installés à horizon 2030.

Mais demain, l’hydrogène pourrait servir à chauffer des industries à des températures élevées et remplacer le charbon ou les produits chimiques issus de combustibles fossiles dans l’industrie lourde. Il participerait ainsi à la réduction des émissions de CO2 et donc de gaz à effet de serre. Un des secteurs visés est notamment celui de la production d’acier, avec pour objectif de réduire le poids carbone des aciers. L’usage direct de l’hydrogène comme combustible pourrait aussi permettre de remplacer le gaz naturel dans certains procédés thermiques utilisant des fours.

 

L’hydrogène est considéré comme un couteau suisse en termes d’applications dans le domaine énergétique. Il permet à la fois de palier à l’intermittence des énergies renouvelables et il pourra aussi à l’avenir se substituer au gaz naturel dans les infrastructures gazières, c’est le « Power-to-gas ».

Le solaire et l’éolien étant des sources d’énergie intermittentes, l’hydrogène permet, quand le stockage par batteries est insuffisant, de stocker les quantités d’électricité générées pour une utilisation différée. En cas de manque de production électrique, l’hydrogène est ainsi de nouveau transformé en électricité et peut alimenter des sites spécifiques ou participer à l’indépendance énergétique des îles.

De plus, au niveau des structures gazières, l’hydrogène pourra à l’avenir se substituer au gaz naturel. Deux possibilités existent pour cela : soit le développement de canalisations adaptées pour accueillir de l’hydrogène pur, soit l’injection, dans les structures gazières existantes, de méthane de synthèse produit à partir d’hydrogène et de C02 par le procédé de la méthanation. C’est ce que l’on appelle le Power-to-gas, principe permettant de relier le réseau électrique au réseau gazier en convertissant de l’électricité en hydrogène ou en méthane de synthèse. Cette solution permet de stocker de l’énergie électrique sur une longue durée ou de l’utiliser directement sous forme de gaz.