L’économie de l’hydrogène se développe en tant que partie, encore modeste, de l’économie à faibles émissions de carbone afin d’éliminer progressivement les combustibles fossiles et de limiter le réchauffement climatique. Théoriquement, l’hydrogène, en tant que molécule H2 au lieu d’électron, a un potentiel énorme pour faciliter le transport, le stockage, la re-conversion en énergie, et donc comme carburant et moyen de stabiliser le réseau des énergies renouvelables.

D’autre part, dans de nombreux secteurs industriels de l’économie, la dépendance à l’égard des combustibles fossiles (dernièrement peu coûteux) est figée, et il pourrait être plus facile de les remplacer par l’hydrogène que de passer au solaire et à l’éolien.

qu’est-ce que l’hydrogène ?

Molécule Hydrogene H2.

L’hydrogène est la substance chimique la plus abondante dans l’univers, constituant environ 75% de toute la masse baryonique. La plupart de l’hydrogène sur terre existe sous des formes moléculaires telles que l’eau ou les composés organiques. L’hydrogène gazeux forme des mélanges explosifs avec l’air à des concentrations allant de 4 à 74 %. Cette réaction produit comme sous-produit de l’eau, elle ne libère pas de CO2 dans l’atmosphère (décarbonisation).

2H2 + O2 → 2H2O + énergie

Lorsqu’il est brûlé à l’air, il libère de petites quantités d’oxydes d’azote NO2 et NO3.

la quantité d’hydrogène produite aujourd’hui ? 

En 2019, 70 millions de tonnes d’hydrogène ont été consommées dans l’industrie. Ce marché de production d’hydrogène est évalué à 100 milliards USD.

Il existe quatre sources principales pour la production d’hydrogène : le gaz naturel (produit par le vaporeformage du méthane ou du gaz naturel, syngas, steam methane reforming ou SMR), le pétrole, le charbon et l’électrolyse. L’électrolyse de l’eau ne joue qu’un rôle mineur en raison de la forte consommation d’électricité nécessaire.

origines/production de l’hydrogène.

  • l’hydrogène gris provenant des combustibles fossiles,
    le reformage du méthane à la vapeur (SMR) du gaz naturel,
    CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2 (syngas),
    CO + H22O ⇌ CO2 + H2,
    source d’hydrogène la moins chère,
    ~1,5 EUR/kg dépend du prix du gaz naturel.
  • brun, provenant du charbon,
  • l’hydrogène bleu, provenant du gaz naturel via le SMR si le CO2 est capturé, le captage, l’utilisation et le stockage du carbone (CCUS), coûte encore cher, et peut devenir faisable/rentable avec des subventions, taxes carbones, système crédits carbones, etc.
  • l’hydrogène vert (renouvelable, issu de l’énergie éolienne/solaire et de l’électrolyse de l’eau douce),
    le prix de la production d’électricité verte étant en baisse, il est toujours de 3,5 à 5 EUR/kg,
    le coût de l’électrolyse devrait baisser au fur et à mesure du développement de la technologie,
    – l’électrolyse de l’eau alcaline,
    – l’électrolyse de l’eau par membrane échangeuse de protons (MEP) et
    – l’électrolyse de l’eau à haute température, etc.,
    des économies d’échelle devraient être possibles avec une adoption générale,
    la production de masse d’H2 vert nécessite toujours de grands volumes d’électricité verte bon marché (énergies renouvelables : solaire dans le désert, nucléaire, etc.)
  • l’hydrogène issu des procédés de carbonisation,
  • l’hydrogène comme sous-produit d’autres procédés chimiques/industriels, la soude caustique, le chlore, etc.

Nous constatons que l’hydrogène est utilisé pour passer de la production actuelle principalement grise à principalement bleu d’ici 2030, et, espérons-le, plus verte d’ici 2040 et principalement verte d’ici 2050.

l’utilisation agricole de l’hydrogène.

La production d’engrais à partir d’ammoniac vert signifie la décarbonisation de l’agriculture,

  • Production d’ammoniac pour les engrais, NH3, procédé Haber-Bosch, fixation de l’azote,
    N2 + 3H2 → 2NH3,
    L’H2 provenant du reformage du méthane à la vapeur grise, vaporeformage (SMR) est la principale source,
  • L’H2 bleu est plus cher que H2 gris ; si le prix des émissions de CO2 augmente, le captage peut devenir fiable,
  • L’ammoniac produit industriellement (via la SMR) est actuellement (2020) responsable de 1 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre.

l’utilisation industrielle de l’hydrogène.

Outre que son utilisation dans la production d’ammoniac et d’engrais, l’hydrogène a de nombreuses applications industrielles.

  • le raffinage du pétrole brut et des produits pétroliers intermédiaires en carburants raffinés, également pour l’élimination du soufre, etc,
  • en tant que matière première dans l’industrie chimique,
  • pour le méthanol CH3OH, qui est utilisé dans la fabrication de nombreux polymères,
  • dans la production d’aciers au carbone,
  • comme agent réducteur dans l’industrie métallurgique,
  • pour l’alliage des métaux, 
  • pour la production de verre plat,
  • dans l’industrie électronique, etc.

l’utilisation de l’hydrogène à des fins thermiques.

L’hydrogène pourrait transformer le système énergétique mondial en tant que substitut naturel aux combustibles fossiles, avec son rôle potentiel majeur de vecteur énergétique sans carbone, et c’est l’industrie pétrolière elle-même qui cherche à s’adapter, à rester pertinente. Le carburant sans carbone et l’écologisation des processus de production est un sujet intéressant.

  • Dans l’industrie sidérurgique, la méthode traditionnelle des hauts-fourneaux libère de grandes quantités de carbone,
  • l’industrie du ciment,
  • céramique,
  • papier, 
  • production de plastique, chaleur moyenne, 
  • et bien d’autres encore.

l’hydrogène dans la mobilité.

Le secteur du transport est à bien des égards similaires aux consommateurs de la chaleur industrielle, dans ce sens qu’il est difficile à décarboniser, et que l’H2 pourrait être plus adapté pour remplacer sa dépendance aux combustibles fossiles que le solaire et l’éolien.

  • les piles à combustible, les voitures et les bus, d’abord pour les grands transports et les longues distances, les trains, etc.
  • des moteurs à combustion interne à H2 pur, délicats à transporter,
  • plus facile et plus stable est son utilisation comme ammoniac, un combustible stable, et utilisé dans le transport maritime déjà en place.

Il est intéressant de noter que l’étude américaine Path to Hydrogen Competitiveness énumère plusieurs options de transport d’hydrogène particulièrement longue distance comme hautement compétitives avec leurs alternatives à faible teneur en carbone.

l’utilisation de l’hydrogène comme énergie électrique.

La production d’électricité à partir de l’hydrogène peut se faire à partir :

  • des piles à combustible hydrogène, 
  • ou des moteurs à combustion interne,
  • des centrales à hydrogène.

 Pour :

  • la reconversion en l’électricité,
  • avec un potentiel de décentralisation et de flexibilité par la cogénération à base d’H2 pur, qui reste un moyen très efficace lorsque la chaleur est un copilote.

Pour que cet hydrogène devienne une part importante de l’économie décarbonée, il faut avant tout une électricité propre (renouvelable et nucléaire) à prix bas. L’hydrogène peut être stocké et transporté dans les gazoducs existants ou dans de nouveaux gazoducs d’H2 pur, pour tout type de reconversion en électricité, ce qui permet de fermer le circuit.  

stockage et transport de l’hydrogène.

Le stockage et le transport de l’hydrogène se fait par plusieurs moyens, à citer : 

  • mélanger avec du gaz naturel (y compris de l’hydrogène) dans les réseaux de gaz (8 % dans le passé, 25 à 40 % aujourd’hui semble faisable),
  • réseau de pipelines d’H2 pur, conversion de l’ancien réseau (nouveaux compresseurs), nouveau réseau de pipelines d’H2,
  • H2 liquéfié, cryogénique, -253 °C, à haute densité énergétique, pour le transport par camion, train, bateau, s’il est bien isolé, reste liquide pendant 2 semaines,
  • hydrogène gazeux sous pression, comprimé à 700 bars, réservoir et compression coûteux.

Le transport de l’hydrogène par pipelines constitue le transport des molécules (comme le GN), c’est du transport de l’énergie sans perte par rapport à l’électricité. Le coût de transport de l’hydrogène par pipeline est un grand facteur moins cher que le coût de transport de l’électricité par câble, comme les débits sont de nombreux facteurs plus élevés que l’électricité. Les garanties relatives à l’origine de l’hydrogène bleu et vert constituent un enjeu à défier (blockchain).

l’avenir ? une électrolyse propre.

La production d’électricité éolienne et solaire ne peut pas être contrôlée lorsque nous allumons et éteignons certaines autres centrales électriques. En fait, leur production en temps voulu peut être estimée à l’avance, mais pas contrôlée.

Plus la capacité verte augmente, plus nous devons gérer intelligemment ces déséquilibres entre la production et consommation (réseau intelligent), stabiliser le réseau, aplanir les courbes, les pointes et les chutes.

La production d’énergie verte renouvelable étant parfois abondante à un moment de la journée où l’électricité excédentaire du réseau est vraiment peu coûteuse, cette surabondance d’électricité verte recherche de nouvelle demande. 

Ainsi, la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau peut être rentable ; la production d’hydrogène vert semble être une solution évidente, car l’hydrogène est en principe transportable et stockable (énergie vers H2).

Cependant, beaucoup de choses restent à faire sur le plan technique, institutionnel, les mécanismes doivent être créés pour que les énormes investissements soient entrepris.

Les meilleurs procédés actuels d’électrolyse de l’eau ont un rendement électrique effectif de 70 à 80 %, de sorte que la production de 1 kg d’hydrogène (qui a une énergie spécifique de 143 MJ/kg ou environ 40 kWh/kg) nécessite 50 à 55 kWh d’électricité.

En 2020, l’hydrogène vert coûtera entre 2,50 et 6,80 dollars par kilogramme et l’hydrogène bleu entre 1,40 et 2,40 dollars par kilogramme, alors que l’hydrogène gris (sale) à haute teneur en carbone coûtera entre 1 et 1,80 dollars par kilogramme.

Les experts prédisent que l’hydrogène vert pourrait devenir compétitif d’ici 2030. 

On constate une réduction éclatante (économies d’échelles) sur les coûts :

  • d’électrolyseurs,
  • de l’énergie éolienne et solaire,
  • pour l’approvisionnement d’H2 chez le consommateur (pipeline, compression, liquéfaction, transport, etc.)

L’étude américaine « Path to Hydrogen Competitiveness » prévoit que les coûts de production de l’hydrogène seront inférieurs de 60 % d’ici 2030 et les coûts de livraison de l’hydrogène de 70 %.

La mise en œuvre effective de l’économie de l’hydrogène nécessitera davantage : 

  • un cadre de taxes sur le carbone, 
  • un système d’échange de certificats/crédits carbone, 
  • ou comme l’objectif ambitieux énoncé dans la stratégie européenne de l’hydrogène d’établir le principe du CO2 comme nouvelle «monnaie» du système énergétique ; l’UE va dans la bonne direction.

L’hydrogène, donc, pourra jouer un rôle important dans un réseau à faible teneur en carbone.

quelle est la quantité d’énergie verte renouvelable nécessaire ? 

La production des vastes quantités d’H2 vert dont le monde aura besoin nécessiterait une quantité absolument massive d’énergie renouvelable ; cela signifie des milliers de GigaWatt de nouvelles installations renouvelables. Des chiffres intéressants pour 2050 pour l’Europe et l’Afrique du Nord sont publiés dans le Manifeste de Dii sur l’hydrogène en Afrique du Nord et en Europe.

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