Le rôle de l’hydrogène dans l’énergie du futur : avantages et limites d’un défi écologique
20 décembre 2023
Dans la nature, il alimente les étoiles ; sur Terre, il représente l'un des vecteurs énergétiques les plus prometteurs pour l'avenir. L'hydrogène est aujourd'hui considéré comme un allié stratégique pour la décarbonation, en parfaite adéquation avec les objectifs du Pacte vert pour l'Europe (Green Deal) et l'objectif de zéro émission nette (Net Zero) d'ici 2050. Il s'agit d'un gaz incolore, inodore et extrêmement abondant sur Terre, capable de stocker et de transporter de l'énergie propre.
Nous en avons souvent parlé dans Battery Weekly, la chronique live hebdomadaire de Flash Battery qui, tous les lundis soirs à 18 h, aborde les dernières actualités en matière de batteries, d’électrification et d’énergie à travers l’avis de trois experts du secteur : Marco Righi, PDG de Flash Battery, Alan Pastorelli, directeur technique de Flash Battery, et Daniele Invernizzi, président de eV Now!.
Examinons de plus près le rôle de l'hydrogène, une ressource essentielle pour lutter contre la crise climatique. Dans cet article, nous analyserons les avantages, les obstacles infrastructurels et les opportunités liés au déploiement des technologies Power-to-X.
L’hydrogène fait partie des éléments les plus simples et les plus abondants de la planète et du système solaire : il représente presque 90 % de la masse visible de l’univers, principalement sous sa forme gazeuse.
La caractéristique qui en fait une alternative concrète en tant que combustible propre est le fait qu’en se combinant avec l’oxygène pendant la combustion, il rejette uniquement de la vapeur d’eau. En effet, qu’il soit utilisé dans des moteurs thermiques ou dans des piles à combustible, c’est le seul combustible qui ne produise pas d’émissions polluantes, mais seulement de l’eau. Voilà ce qui distingue grandement l’hydrogène des hydrocarbures. En effet, composés d’hydrogène et de carbone, ces derniers produisent du dioxyde de carbone ainsi que d’autres gaz nocifs pour la santé humaine et l’environnement lorsqu’ils sont combinés avec l’oxygène pendant l’utilisation.
Néanmoins, sur terre, il est rare de trouver cet élément seul, à l’état libre et moléculaire (H2), dans la nature, car il est présent presque exclusivement en combinaison avec d’autres éléments, comme dans l’eau (H2O) ou dans les hydrocarbures, composés d’hydrogène et de carbone (par ex. : le méthane [CH4]). De plus, s’agissant d’un gaz très réactif au contact de l’air, il est difficile de trouver des sources naturelles d’hydrogène pur à la surface de la Terre.
Pour obtenir de l'hydrogène, il faut l'extraire des éléments auxquels il est lié, en consacrant de l'énergie au processus de séparation. Comme il n'existe pas à l'état libre dans la nature, l'hydrogène n'est pas une source d'énergie primaire, mais un vecteur énergétique (energy carrier), capable d'emmagasiner de l'énergie pour la restituer en cas de besoin.
Bien que l’hydrogène constitue une énergie propre au moment de son utilisation, sa production n’est pas sans impact sur la planète. Il existe actuellement différents modes de production de l’hydrogène, qui n’ont pas tous les mêmes conséquences sur l’environnement : en effet, certains produisent plus d’émissions que d’autres.
Bien que l'hydrogène soit un gaz invisible, ses différents procédés de production sont identifiés par un code couleur. Cette convention permet de classer leur impact environnemental ainsi que leur intensité carbone (Carbon Intensity) spécifique.
À ce jour, quatre couleurs d’hydrogène principales ont été identifiées, en fonction du processus de production utilisé:
Hydrogène blanc
L'hydrogène blanc, également appelé hydrogène naturel, se trouve dans des gisements enfouis dans les profondeurs de la croûte terrestre. Il est d'ailleurs connu sous le nom d'hydrogène géologique (geologic hydrogen). Bien qu'il existe d'importantes réserves potentielles, les gisements économiquement exploitables ne sont pas suffisants pour répondre à la demande mondiale. De plus, son impact environnemental n'est pas nul : il est directement lié aux méthodes d'extraction (le forage ou drilling), qui s'avèrent souvent invasives et extrêmement coûteuses.
Hydrogène gris
L’« hydrogène gris » est obtenu via le processus de vaporeformage du méthane ou d’autres hydrocarbures . Cette procédure exploite la réaction entre la vapeur et le méthane à très haute température pour créer de l’hydrogène. Actuellement, cette méthode est utilisée pour produire environ 48 % de l’hydrogène mondial. Il s’agit d’une réaction chimique qui produit du dioxyde de carbone (CO2), rejetant en moyenne dans l’atmosphère plus de 9 kg de CO2 pour chaque kilogramme d’hydrogène produit.
Un processus de production similaire a également lieu à partir d’autres combustibles fossiles, comme le carbone, dans le cas de l’hydrogène brun. Il s’agit d’un processus bien établi et largement diffusé qui, pourtant, produit une quantité d’émissions de CO2 encore plus élevée : environ 20 kg de CO2 pour chaque kilogramme d’hydrogène produit.
Hydrogène bleu
Le processus de production de l'hydrogène bleu (Blue Hydrogen) dérive de celui de l'hydrogène gris (Grey Hydrogen), à une différence majeure près. Une part significative du CO₂ généré est en effet captée et stockée dans le sous-sol grâce aux technologies CCS (Carbon Capture and Storage - captage et stockage du carbone), évitant ainsi sa dispersion dans l'atmosphère.
Hydrogène vert
L'hydrogène vert (Green Hydrogen) représente, quant à lui, le sommet de la durabilité. Il est obtenu par électrolyse, un procédé qui utilise l'électricité pour scinder l'eau (H₂O) en hydrogène et en oxygène. Le cœur du système est l'électrolyseur (electrolyzer technology) : s'il est alimenté exclusivement par des sources renouvelables, il permet de produire de l'hydrogène avec une très faible empreinte carbone.
Aujourd’hui, l’hydrogène vert est considéré comme une option concrète pour la décarbonation et, notamment en raison de son grand potentiel et de son faible impact environnemental généré par sa combustion, il a été identifié par l’Union européenne comme étant un élément clé pour la réduction des émissions de CO2 établie par le pacte vert pour l’Europe d’ici 2050. À cet égard, l’UE, très attentive au parcours menant à la neutralité carbone (en effet, en 2022, elle a déjà rigoureusement réglementé le secteur des batteries), a présenté une stratégie spécifique pour encourager l’utilisation de l’hydrogène vert dans tous les États membres, afin d’accélérer la production d’hydrogène vert à partir de ressources renouvelables.
Selon le dernier rapport de l’Agence internationale de l’énergie (AIE), aujourd’hui, environ 75 millions de tonnes d’hydrogène sont utilisées chaque année au sein de l’Union européenne, ce qui représente 2 % du mix énergétique total. Néanmoins, il est important de souligner que presque 95 % de la production de cet hydrogène est obtenue en utilisant des combustibles fossiles.
Ainsi, promouvoir l'utilisation exclusive de l'hydrogène vert, produit à partir d'énergies renouvelables, pourrait apporter une contribution majeure à la réduction des émissions atmosphériques. Cette approche aurait un effet positif sur la trajectoire vers la neutralité carbone d'ici 2050, tout particulièrement dans les secteurs difficiles à décarboner (Hard-to-Abate sectors).
…mais les limites à repousser sont encore nombreuses : les inconvénients de l’hydrogène vert
L’hydrogène est un gaz très réactif et inflammable, des caractéristiques qui nécessitent une attention et une réglementation particulières pendant les phases de production, de stockage et de transport.
Actuellement, l'absence d'un réseau de distribution suffisamment dense entrave le déploiement de cette technologie à grande échelle. Dans une phase transitoire, ce problème pourra être contourné en exploitant les raccordements existants et en privilégiant l'utilisation de l'hydrogène à proximité des sites de production. Toutefois, à long terme, pour répondre efficacement à la demande du marché, il sera indispensable de développer un réseau de transport dédié et transfrontalier, tel que défini par la vision de l'European Hydrogen Backbone (EHB).
Le facteur coût n'est pas non plus à négliger : l'utilisation de l'hydrogène requiert en effet des systèmes complexes et onéreux. Les installations de production d'hydrogène vert ne sont pas encore économiquement compétitives en raison de dépenses d'investissement (CAPEX) élevées par rapport aux installations traditionnelles, ce qui freine l'adoption d'une production plus écologique.
Sur le plan technique, la principale limite de l'hydrogène réside aujourd'hui dans sa faible efficacité énergétique. Ce déficit est parfaitement illustré par la notion de Round-Trip Efficiency (efficacité aller-retour), un paramètre qui met en évidence les déperditions massives tout au long du cycle énergétique : de la production à la reconversion finale en énergie, en passant par le stockage et le transport.
Imaginons une ligne dont les extrémités représentent l’impact environnemental et l’efficacité énergétique : d’un côté se trouvent les combustibles fossiles (plus grand impact, plus faible efficacité) et, de l’autre, l’énergie électrique renouvelable avec utilisation directe ou stockage dans des batteries (plus faible impact, plus grande efficacité). L’hydrogène se situe au milieu de cette ligne, ce qui constitue un équilibre entre faible impact environnemental et faible efficacité. En raison de son faible impact environnemental, l’hydrogène vert obtenu à partir de sources d’énergie durable est celui qui se rapproche le plus de l’énergie électrique.
Graphique représentatif de l’efficacité et de l’impact de différentes sources d’énergie
« L’énergie renouvelable a un coût, en particulier lors de la phase de production de technologies telles que les panneaux photovoltaïques ou les parcs éoliens. Jusqu’à ce que nous soyons totalement autonomes grâce aux sources renouvelables, il est essentiel de les utiliser à bon escient et de façon responsable, en évitant le gaspillage et en optimisant l’efficacité énergétique. Utiliser l’hydrogène vert dans les secteurs où les batteries pourraient satisfaire la demande n’est donc pas la solution idéale pour le moment. »
La faible efficacité de l’hydrogène en tant que vecteur énergétique constitue un défi majeur pour le secteur de la mobilité, limitant son déploiement à grande échelle. En analysant le cycle Well-to-Wheel (du puits à la roue), l’efficacité énergétique globale de la filière hydrogène s’avère en effet nettement inférieure à celle des solutions plus matures, telles que les véhicules électriques à batterie (BEV).
Lorsqu’elles sont alimentées par batterie, les voitures utilisent directement l’énergie électrique provenant de la batterie elle-même. En revanche, quand l’hydrogène est utilisé comme vecteur, il n’est pas utilisé directement car il doit d’abord être transformé en énergie électrique afin d’alimenter le moteur.
Cette technologie, qui produit de l'électricité à partir d'hydrogène gazeux pour alimenter un moteur électrique, est désignée sous le nom de piles à combustible (fuel cells) et propulse les véhicules FCEV (Fuel Cell Electric Vehicles). Dans ce processus, l'énergie est convertie deux fois : d'abord pour produire l'hydrogène, puis pour générer de nouveau l'énergie électrique. Chaque étape entraîne ainsi des pertes d'efficacité : lors de la production d'hydrogène par électrolyse, puis durant les phases de stockage et de transport. Enfin, une déperdition supplémentaire survient lors de la conversion de l'hydrogène en électricité pour actionner le moteur.
La voiture à hydrogène atteint en moyenne une efficacité de seulement 25 % à 35 %. En revanche, dans un véhicule uniquement alimenté par batterie, les pourcentages sont totalement inversés : seulement une petite partie de l’énergie est perdue pendant le transport, avant d’être stockée, ce qui permet de parvenir à une efficacité globale pouvant atteindre jusqu’à 90 %.
Bien que les avantages environnementaux soient presque les mêmes, l’utilisation de l’hydrogène vert pour le transport routier léger s’avère aujourd’hui moins avantageuse que l’alimentation électrique. La disponibilité d’un vaste réseau de recharge et un coût de ravitaillement plus faible rendent la recharge électrique plus intéressante par rapport à un ravitaillement en hydrogène. De plus, les voitures électriques bénéficient de la présence d’infrastructures de transport et de distribution bien établies qui, dans le cas de l’hydrogène, doivent encore être mises en place.
Le défi du transport de l’hydrogène jusqu’aux stations de ravitaillement pour l’approvisionnement des véhicules constitue une autre difficulté. En effet, il s’agit d’un gaz difficile à manipuler en raison de sa faible densité énergétique, qui nécessite une compression à haute pression (de 350 à 700 bar) afin d’être stocké en quantités suffisantes pour alimenter une voiture.
Hydrogen and electric drive [1]
L'hydrogène pourrait jouer un rôle fondamental dans la décarbonation des secteurs Hard-to-Abate, tels que le transport maritime, l'aviation ou la manutention de marchandises lourdes sur de longues distances. Pour ces applications, l'électrification par batterie s'avère aujourd'hui difficile : elle nécessiterait des packs d'accumulateurs de taille et de poids excessifs, ce qui réduirait drastiquement la charge utile.
L'hydrogène offre, quant à lui, un système plus compact et des temps de ravitaillement rapides. Grâce à son exceptionnelle densité énergétique gravimétrique, il s'impose comme un vecteur particulièrement adapté au transport lourd, permettant le transport de charges importantes sur de longues distances sans compromis.
De plus, quand la production d’énergie renouvelable sera surabondante, l’hydrogène pourrait apporter des avantages importants à un autre domaine d’application grâce à son rôle de vecteur d’énergie : celui du stockage saisonnier.
L'augmentation exponentielle de la production d'énergie électrique à partir de sources renouvelables, telles que le solaire photovoltaïque et l'éolien, s'accompagne du défi structurel de l'intermittence. Ce scénario implique la nécessité impérative de stocker l'énergie excédentaire générée lors des pics de production, afin de la rendre disponible lorsque la demande dépasse l'offre.
C'est ici qu'émerge une distinction technologique fondamentale : alors que les fluctuations journalières (cycles courts) peuvent être gérées efficacement grâce à l'utilisation de batteries électrochimiques, l'équilibrage entre l'été et l'hiver requiert des solutions de stockage saisonnier de l'énergie (Seasonal Energy Storage). Pour ce besoin spécifique, la seule voie viable à grande échelle est le stockage de l'hydrogène dans le sous-sol, techniquement défini comme le stockage souterrain de l'hydrogène (Underground Hydrogen Storage - UHS). Cette technologie permet d'accumuler de grands volumes d'énergie produite en été pour les restituer durant les mois d'hiver, comblant ainsi le déficit causé par la baisse de la production solaire.
L’hydrogène représente une option concrète d’énergie propre et est considéré comme un vecteur d’énergie prometteur pour la mobilité durable, puisqu’il permet d’obtenir des véhicules à zéro émission ainsi qu’une solution pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles. Néanmoins, malgré son potentiel, les défis qu’il doit relever sont encore nombreux. Nous pouvons par exemple citer la réduction des coûts de production, le développement d’infrastructures adaptées et la résolution de questions liées à la distribution et au stockage de l’hydrogène.
Il convient de préciser que seul l'hydrogène vert, produit à l'aide d'énergie propre issue de sources renouvelables (Renewable Energy Sources - RES), garantit une véritable décarbonation. Les variantes produites à partir de combustibles fossiles, bien qu'elles présentent des coûts de production inférieurs, conservent en revanche une empreinte carbone (Carbon Footprint) élevée, compromettant ainsi une grande partie des bénéfices environnementaux.
D’un point de vue technologique, la faible efficacité énergétique représente un point négatif pour certains secteurs par rapport aux batteries. Par conséquent, il est essentiel de relever les défis liés à l’efficacité de l’hydrogène afin de garantir un rôle efficace et durable de cette technologie à l’avenir.
De plus, afin que l’hydrogène joue un rôle plus important dans la transition vers une énergie plus durable, il est fondamental d’admettre qu’il est essentiel d’améliorer la technologie associée aux piles à combustible. Actuellement, les piles à combustible présentent encore des obstacles importants, comme des coûts élevés, une faible efficacité et une durée de vie limitée : tous ces facteurs ont un impact négatif sur la facilité d’utilisation globale du système à hydrogène.
IEA Net Zero Scenario 2050 [2]
L'hydrogène vert s'impose donc comme un vecteur clé dans la transition vers la durabilité. Sa diffusion joue un rôle fondamental dans la décarbonation des secteurs dits Hard-to-Abate, c'est-à-dire les secteurs industriels à haute intensité énergétique difficiles à électrifier.
Néanmoins, il restera une partie minoritaire du mix énergétique que nous pourrons utiliser en 2050, comme indiqué dans le rapport de l’ESA, l’Agence spatiale européenne qui, sur la base des données communiquées par l’Agence internationale de l’énergie, révèle que l’hydrogène représentera un faible pourcentage par rapport aux autres sources d’énergie à utiliser afin d’atteindre l’objectif zéro émission d’ici 2050.
Bibliographie
[1] Hydrogen and electric drive. Image prise sur le site web du Volskwagen en date 03/12/20.
[2] IEA Net Zero Scenario 2050. Image prise sur le site web de l’ Agence spatiale européenne le 20/12/23.
