L’économie de l’hydrogène vert a récemment suscité beaucoup d’attention médiatique, mais elle ne représente qu’une petite fraction de l’économie à faible émission de carbone et cela probablement ne changera pas aussi vite.

Bien que l’hydrogène vert puisse sembler être la solution miracle pour éliminer progressivement les combustibles fossiles et limiter le réchauffement climatique, en pratique, les contraintes physiques et économiques nous empêcheront probablement d’utiliser l’hydrogène vert pour autre chose que les applications actuelles de l’hydrogène gris et noir.

Cependant, certains secteurs de l’économie, comme la production d’engrais, ont un réel besoin d’hydrogène vert à grande échelle et l’auront dans l’avenir. Pour de nombreux autres secteurs industriels, comme le transport, la navigation, le chauffage industriel et domestique, et l’électrification à partir de sources renouvelables, l’utilisation d’autres technologies sera probablement moins coûteuse, plus sûre et plus durable.

L’hydrogène vert sera produit dans des pays où les énergies renouvelables, telles que l’énergie éolienne et solaire, sont abondantes et peu coûteuses, comme le Maroc. Les industries qui ont besoin d’hydrogène vert s’installeront dans ces pays, et il ne sera pas nécessaire de transporter beaucoup d’hydrogène, ni sous forme liquide ou comprimée, dans des pipelines, ou par des moyens chimiques sophistiqués.

Molécule Hydrogene H2.

qu’est-ce que l’hydrogène ?

Wikipédia : 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 forme moléculaire, comme l’eau ou les composés organiques. L’hydrogène gazeux forme des mélanges explosifs avec l’air à des concentrations 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
En brûlant avec l’air, il libère de petites quantités d’oxydes d’azote NO2 et NO3.

quelle quantité d’hydrogène est produite aujourd’hui ?

En 2022, la consommation d’hydrogène dans la transformation industrielle a atteint 94 millions de tonnes. Le marché de la production d’hydrogène, estimé à plus de 100 milliards de dollars, comprend quatre sources principales : le gaz naturel (produit par reformage à la vapeur du méthane, du gaz naturel), le pétrole, le charbon et l’électrolyse. Actuellement, 6 % du gaz naturel mondial et 2 % du charbon mondial sont utilisés pour produire de l’hydrogène, générant un total de 830 MtCO2Eq/an d’émissions de gaz à effet de serre, ce qui représente 2,3 % des émissions mondiales.

L’électrolyse de l’eau n’a qu’un rôle mineur en raison de la forte consommation d’électricité nécessaire. Cependant, la biomasse et le biogaz pourraient être des intrants primaires prometteurs pour la production d’hydrogène vert.

origines/production de l’hydrogène. couleurs de l’hydrogène.

  • l’hydrogène gris est produit en utilisant des combustibles fossiles, en particulier en ayant recours au reformage du méthane du gaz naturel à la vapeur (SMR).
    CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2 (gaz de synthèse),
    CO + H2O ⇌ CO2 + H2
    Il s’agit actuellement de la source d’hydrogène la moins chère, coûtant environ 1,5 à 2 EUR/kg, en fonction du prix du gaz naturel.
  • Cependant, pour produire une tonne d’hydrogène gris, environ 5 à 6 tonnes de CO2 sont libérées dans l’atmosphère sous forme d’émissions de gaz à effet de serre.
  • Il est également possible de produire de l’hydrogène brun/noir à partir du charbon.
  • L’hydrogène bleu est produit à partir de gaz naturel via le SMR, mais le CO2 est capturé et stocké, processus connu sous le nom de capture, utilisation et stockage du carbone (CCUS). Cependant, cela coûte de l’argent et il est peu probable que cela devienne réalisable dans les prochaines décennies.
  • 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 est produit à partir d’électricité renouvelable, telle que l’énergie éolienne ou solaire, et de l’électrolyse de l’eau douce. Bien que cela coûte actuellement entre 3,5 et 5 EUR/kg, le coût devrait diminuer à mesure que les prix de production d’électricité verte baissent et que la technologie d’électrolyse se développe. Différentes méthodes d’électrolyse existent, telles que l’électrolyse de l’eau alcaline, l’électrolyse de l’eau par membrane échangeuse de protons (PEM) et l’électrolyse de l’eau à haute température.
  • d’autres sources d’hydrogène incluent celui produit par les processus de carbonisation, ainsi que l’hydrogène issu de sous-produits d’autres processus chimiques, tels que la soude caustique ou le chlore.

Cependant, pour remplacer les 94 millions de tonnes d’hydrogène gris/noir utilisé actuellement, il faut avant tous construire d’énormes nouvelles capacités de production d’électricité verte, ensuite maitriser la technologie de l’électrolyse à grande échelle, surtout maitriser tout les aspects de sécurité, et disposer des financements nécessaires pour les projets qui ne sont pas rentable, ou créer les mécanismes qui les rendent rentables. 

Nous voyons l’utilisation de l’hydrogène passer de la production actuelle, essentiellement grise, à une production essentiellement verte d’ici 2050.

l’utilisation agricole de l’hydrogène.

La production d’ammoniac, également connu sous l’acronyme NH3, est essentielle pour la fabrication d’engrais. 

  • le procédé Haber-Bosch permet la fixation de l’azote.
    N2 + 3H2 → 2NH3.
  • à ce jour, la principale source de H2 provient du reformage du méthane (gris) à la vapeur (SMR), tandis que le H2 bleu est plus coûteux.
  • une augmentation du prix des émissions du CO2 de ce processus, le droit de polluer, peut rendre la capture du CO2 et donc la production d’H2 bleu plus viable.
  • L’ammoniac produit industriellement via le SMR est responsable de 1 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, soit l’équivalent de 400 millions de tonnes de CO2/an.

La production d’engrais à partir d’ammoniac vert permet la décarbonisation de l’agriculture, ce qui est un enjeu majeur pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. 

Dans ce sens, le Maroc envisage de produire son propre ammoniac vert afin de produire des engrais (OCP) verts et verdir l’agriculture en Afrique et ailleurs.

Le Maroc se retrouve en bonne position grâce à son abondance d’énergie renouvelable (solaire et éolienne), ainsi que son industrie du phosphate.   

l’utilisation industrielle de l’hydrogène.

En plus de son utilisation dans la production d’ammoniac et d’engrais, l’hydrogène trouve de nombreuses applications industrielles, comme :

  • le raffinage du pétrole, qui consiste à transformer des produits pétroliers bruts et intermédiaires en carburants raffinés, tout en éliminant le soufre et autres impuretés (désulfuration).
  • matière première dans de nombreuses industries telles que l’industrie chimique, où ils servent à produire du méthanol CH3OH, est ensuite utilisé dans la fabrication de nombreux polymères.
  • l’utilisation dans la production d’aciers au carbone.
  • l’utilisation comme agent réducteur dans l’industrie métallurgique et pour l’alliage des métaux.
  • l’utilisation dans la production de verre plat.
  • l’utilisation dans l’industrie électronique, entre autres applications.

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

L’utilisation de l’hydrogène comme alternative naturelle aux combustibles fossiles pourrait révolutionner le système énergétique mondial en tant que vecteur d’énergie à zéro émission de carbone. L’industrie pétrolière est consciente de ce potentiel et cherche à s’adapter pour rester pertinente. L’adoption de carburants à zéro carbone et la mise en place de processus de production écologiques sont devenus des sujets clés pour ces industries.

  • l’industrie de l’acier, la méthode traditionnelle du haut fourneau libère de grandes quantités de carbone.
  • l’industrie du ciment.
  • les céramiques.
  • la chaleur de qualité moyenne, papier.
  • la chaleur de qualité moyenne, la production de plastique.
  • et bien d’autres encore.

Tout comme il existe des applications théoriques de l’hydrogène pour le chauffage industriel, il existe de nombreuses autres solutions électriques et biocarburants plus abordables et plus sûres.

Ce qui fonctionne en laboratoire peut éventuellement ne pas être transposé à plus grande échelle, en raison des propriétés physiques de l’hydrogène, et donc de la faisabilité économique et, enfin et surtout, des problèmes de sécurité. Dans de nombreuses applications, il existe une solution électrique beaucoup plus simple et plus efficace.

l’hydrogène pour la mobilité.

Le secteur des transports présente des similitudes avec celui de la consommation de chaleur industrielle, car tous deux sont souvent considérés comme des cibles prometteuses pour l’hydrogène. Bien que l’hydrogène semble être mieux adapté que les combustibles fossiles pour remplacer la dépendance des transports, les véhicules électriques à batterie (VEB) ont pris une longueur d’avance et sont en train de remporter la bataille. S’ils sont alimentés par de l’électricité renouvelable d’origine solaire et éolienne, ils gagnent haut la main sur le plan des émissions. 

  • Les FCEV (véhicules électriques à pile à combustible), les voitures et les bus, pour les transports importants et les longues distances, les trains, etc. théoriquement possible, mais plus complexes que les BEV (battery electric vehicles).
  • en général, un kilogramme d’hydrogène équivaut à environ trois litres de carburant, ce qui est nécessaire pour parcourir 100 km en voiture.
  • alors que les trois litres de diesel pèse moins de 3 kilogrammes à température ambiante, cependant, un kilogramme d’hydrogène à température ambiante occupe environ 11 m3. Cela montre la faible densité énergétique volumétrique de l’hydrogène.
  • pour un trajet de 500 km, un FCEV aura besoin d’environ 5 kg d’hydrogène, qui, stocké à 700 bars, occupera encore un volume d’environ 200 litres, soit 3 à 4 fois le volume d’un réservoir de gaz.
  • le stockage à 700 bars n’est ni facile, ni sûr, ni bon marché, et il nécessite beaucoup d’énergie pour la compression.

Une autre option, le moteur à combustion interne H2 pur, semble difficile pour la mobilité. 

En revanche, l’utilisation d’ammoniac comme carburant semble plus facile et plus stable, car il est déjà utilisé dans le transport maritime aujourd’hui.

Il est intéressant de noter que l’étude américaine Path to Hydrogen Competitiveness présente plusieurs options de transport par hydrogène sur de longues distances comme hautement compétitives par rapport à leurs alternatives à faible teneur en carbone.

Cependant, la réalité de l’hydrogène est difficile à accepter. H2 reality bites. L’utilisation de l’électricité dans un VEB est tellement plus facile, moins coûteuse, plus efficace et plus sûre que l’utilisation de l’hydrogène.

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, y compris les moteurs de cogénération.
  • des centrales à hydrogène.

Cet aller-retour électricité-hydrogène-électricité coûte environ 70 à 80 % de l’électricité.

Il faut avant tout de l’électricité propre et bon marché (renouvelable, utilisation de la surcapacité) pour que tout power-to-X devienne une partie importante de l’économie à faible émission de carbone.

L’hydrogène peut théoriquement être stocké et transporté pour être utilisé dans différents types de conversion en électricité, ce qui permet de fermer le circuit. Bien que cette solution puisse être envisagée pour les régions éloignées et isolées, elle est en concurrence avec les biocarburants.

stockage et transport de l’hydrogène.

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

  • mélangé avec du gaz naturel (y compris de l’hydrogène) dans les réseaux de gaz (8 % dans le passé, 25-40 % aujourd’hui semble faisable), le problème est le volume beaucoup plus élevé qui doit être transporté et transformé.
  • réseau de pipelines H2 pur nécessite la conversion de l’ancien réseau (nouveaux compresseurs), un nouveau réseau de pipelines H2, tout cela semble coûteux..
  • Le transport d’H2 représente de transport de l’énergie, en tant que vecteur apparemment sans perte par rapport à l’électricité (comme le GN), le transport de l’hydrogène par gazoduc a de nombreux obstacles technologiques à surmonter, l’avenir nous le dira.
  • les garanties d’origine pour l’hydrogène bleu et vert sont un problème (blockchain peut être une solution, ou bien non, …),
  • H2 liquéfié, cryogénique, -253 °C, gourmand en énergie, pour le transport par camion, train ou bateau ; s’il est bien isolé, le H2 reste liquide pendant deux semaines, blow-off 1% par jour.
  • hydrogène gazeux comprimé à 700 bars, réservoir coûteux (fibre de carbone, sphérique), et compression énergie voire, plusieurs réservoirs sphériques peuvent être combinés sur une remorque.

Le stockage direct de l’électricité dans des batteries lithium-ion ou Li-ion est la concurrence. Elles sont largement utilisées dans des applications pratiques. 

Cependant, le stockage de l’énergie par pompage est un autre type de stockage bien connu qui peut être facilement adapté à toute capacité de stockage requise, à un coût connu et abordable. Cette technologie est couronnée de succès depuis cent ans.

L’hydrogène est en concurrence avec l’électrification complète. C’est la compétition qui déterminera si l’hydrogène, tel qu’il est envisagé par certains, sera adopté massivement.

l’avenir ? une électrolyse propre.

Contrôler la production d’électricité éolienne et solaire n’est pas aussi simple que d’allumer ou d’éteindre d’autres centrales électriques. Bien que leur production puisse être estimée à l’avance, elle ne peut être contrôlée.

A mesure que la capacité verte augmente, il devient de plus en plus important de gérer intelligemment les déséquilibres entre production et consommation (grâce à un réseau intelligent), de stabiliser le réseau et de résoudre les problèmes. 

Parfois, il peut y avoir une surproduction d’énergie verte renouvelable à un moment de la journée où l’électricité excédentaire est peu coûteuse, ce qui nécessite de trouver des moyens de stockage pour répondre à la demande ultérieure.

La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau peut être une option économique, avec l’avantage que l’hydrogène est transportable et stockable (power to H2), ce qui en fait une solution évidente pour produire de l’hydrogène vert. 

Cependant, pour que cette solution soit mise en œuvre, il est nécessaire que des avancées politiques et institutionnelles soient réalisées, des mécanismes soient créés pour permettre des investissements massifs et que de nombreuses nouvelles technologies soient développées.

hydrogène à partir du biogaz.

Cependant, plutôt que d’utiliser l’électrolyse, l’hydrogène sera généré via un processus bien connu appelé reformage du méthane à la vapeur (SMR). Au cours de ce processus, le gaz naturel réagit avec de la vapeur d’eau à des températures et des pressions élevées, produisant à la fois de l’hydrogène et du CO2. Le reformage à la vapeur représente actuellement environ 75 % de l’approvisionnement mondial en hydrogène, ce qui le rend bien plus courant que l’électrolyse. Dans les conditions actuelles (octobre 2022), il pourrait être l’option la plus économique pour produire de l’hydrogène vert.

Quelle est la particularité du Maroc ?