l’économie hydrogène.

L’économie de l’hydrogène vert a été largement mise en avant. Il reste à voir si elle se développera et occupera une place significative dans l’économie à faibles émissions de carbone.

Pour éliminer progressivement les combustibles fossiles et limiter le réchauffement climatique, l’hydrogène vert est devenu pour certains le nouveau vecteur miracle, la solution ultime, l’outil polyvalent pour décarboner. Est-ce simplement de l’illusion, un mélange d’espoir et d’opium ?

En théorie, l’hydrogène, en tant que molécule plutôt qu’électron, offre la possibilité de simplifier le transport, le stockage et la conversion en énergie. Cependant, dans la réalité, ce sont les contraintes physiques et économiques qui limiteront probablement notre utilisation de l’hydrogène vert à des fonctions similaires à celles de l’hydrogène gris et noir actuel.

Il existe certains secteurs de l’économie, tels que la production d’engrais, qui ont un besoin crucial d’applications à grande échelle de production d’hydrogène vert à l’avenir. Ce sont principalement les secteurs actuellement dépendants de l’hydrogène (principalement gris), comme la production d’engrais, certains processus chimiques, la fabrication de l’acier et certains aspects du raffinage du pétrole.

Pour de nombreux autres secteurs industriels, notamment les transports, le transport maritime, les processus industriels et le chauffage résidentiel, le chemin le plus probable vers la décarbonisation est l’électrification à l’aide de sources d’énergie renouvelables. Cette approche devrait être plus rentable, sécurisée et durable.

La production d’hydrogène vert devrait être concentrée dans les pays disposant de ressources renouvelables abondantes et peu coûteuses, comme le Maroc. Les industries nécessitant de l’hydrogène vert pourraient se relocaliser dans ces pays. Il est peu probable qu’il y ait un transport significatif de l’hydrogène, que ce soit sous forme liquide ou comprimée, par pipelines ou par des processus chimiques avancés, car cela semble être excessivement complexe à ce stade.

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.

Il existe quatre sources principales pour la production commerciale d’hydrogène : le gaz naturel (produit par reformage à la vapeur du méthane, du gaz naturel), le pétrole, le charbon et l’électrolyse. Environ 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 de dioxyde de carbone (CO₂) provenant des combustibles fossiles et des activités industrielles.

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.

Pour que l’hydrogène vert remplace les 94 millions de tonnes par an d’hydrogène gris/noir actuellement utilisées, il faut construire d’énormes nouvelles capacités de production d’électricité verte (renouvelables, solaire dans le désert, etc.), comprendre la nouvelle technologie d’électrolyse de l’hydrogène à grande échelle, obtenir des financements et résoudre les multiples préoccupations en matière de sécurité. Tout le monde est encore en phase d’apprentissage, il ne faut pas s’attendre à des miracles…

• L’hydrogène rose, lorsque l’électricité provient de l’énergie nucléaire.
• L’hydrogène issu de processus de carbonisation.
• L’hydrogène comme sous-produit d’autres processus chimiques, tels que la production de soude caustique, de chlore, etc. Dans certains cas, il est gratuit.

Il est probable que la production d’hydrogène devienne principalement verte d’ici 2050. Avec le solaire et l’éolien devenant beaucoup moins chers et l’électricité verte devenant abondante, l’hydrogène vert pourrait également devenir compétitif.

• Si un marché pour les produits basés sur l’hydrogène vert se développe, 
• Si les produits à base de combustibles fossiles deviennent réglementés ou taxés, 
• Si la pollution est pénalisée, 
• Si nous empêchons les pollueurs d’utiliser l’atmosphère comme une égout public gratuit (Paul Martin).

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 vert vient du H2 vert, un engrais issu de l’ammoniac vert décarbonise l’agriculture, il faut d’abord y aller, dans un monde décarboné il faut continuer à manger.
• la production d’ammoniac est de 160 millions de tonnes par an ; les quatre cinquièmes de cette somme sont consacrés à la production d’engrais.
• l’ammoniac produit industriellement (via SMR+Haber Bosch) est responsable d’environ 1 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, soit environ 400 millions de tonnes de CO2.

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, production de plastique, mieux servie par l’électricité,
• Il existe une solution électrique plus simple et plus efficace pour de nombreuses applications.

Tout comme il existe des applications théoriques pour l’hydrogène dans le chauffage industriel, de nombreuses alternatives électriques et aux biocarburants sont plus abordables et sécurisées. En réalité, les alternatives électriques sont déployées dans de nombreux endroits, contrairement à l’hydrogène qui ne l’est pas encore.

Tout changement d’équipement de génération de chaleur pour s’éloigner de la combustion des combustibles fossiles sera coûteux. De plus, les chaudières à combustible existantes et les compresseurs de gaz naturel ne fonctionneront pas facilement avec l’hydrogène, rendant une telle transition tout aussi coûteuse.

Passer directement à des systèmes de génération de chaleur électriques sera dans la plupart des cas plus facile, moins coûteux et plus sécurisé.

l’hydrogène pour la mobilité.

Le secteur des transports présente de nombreuses similitudes avec les consommateurs de chaleur industrielle, car il semble être une application évidente pour l’hydrogène, en remplaçant un carburant par un autre. Cependant, les choses sont complexes et coûteuses.

Puis les véhicules électriques à batterie (BEV) ont décollé, et lorsqu’ils sont alimentés par de l’électricité renouvelable provenant du solaire et de l’éolien, ils gagnent haut la main en termes d’émissions.

Avec la même quantité d’électricité verte, les BEV sont 70 à 80 % plus efficaces que les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV). Des pertes surviennent lors de la production, du transport, de la compression et de la reconversion de l’hydrogène en électricité puis en électricité. En plus de l’infrastructure pour transporter et stocker l’hydrogène, il faudra tripler la capacité d’électricité verte si tous les transports passent à l’hydrogène.

Autres informations :

• Les voitures et bus à pile à combustible (FCEV), ainsi que les trains pour les grands transports et les longues distances, sont surtout plus compliqués que les véhicules électriques à batterie (BEV).
• Un kilogramme d’hydrogène équivaut à environ trois litres de diesel ou de carburant.
• Trois litres de diesel pèsent moins de trois kilogrammes à température ambiante.
• Un kilogramme d’hydrogène à température ambiante occupe un volume d’environ 11 m³, soit la quantité nécessaire pour parcourir 100 km dans une voiture de tourisme.
• L’hydrogène a une faible densité énergétique volumétrique. La densité énergétique par unité de masse est excellente, mais pas par unité de volume.
• Pour un trajet de 500 km, un véhicule à pile à combustible (FCEV) aurait besoin d’environ 5 kg d’hydrogène. À 700 bars, un système de stockage aurait un volume d’environ 200 litres, soit 3 à 4 fois le volume d’un réservoir de carburant.
• Aujourd’hui, il semble que les véhicules FCEV aient complètement perdu face aux BEV.
• Le stockage à 700 bars n’est ni facile, ni sûr, ni bon marché, et il faut beaucoup d’électricité pour comprimer l’hydrogène à cette pression.
• Les moteurs à combustion interne utilisant de l’hydrogène pur semblent également une option, mais gaspillent encore plus d’énergie.
• Une option plus facile et plus stable est l’utilisation de l’ammoniac, un carburant stable déjà utilisé dans le transport maritime, bien qu’il prenne plus de place que le diesel et soit très toxique.

l’utilisation de l’hydrogène pour la production d’électricité.

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.

Ce processus de conversion, de l’électricité à l’hydrogène puis à nouveau à l’électricité, coûte environ 70 à 80% de l’électricité initiale.

Cela nécessite avant tout de l’électricité propre et bon marché. Un excès d’énergie renouvelable pourrait un jour rendre le repompage de l’hydrogène une option. Cela vaut pour toute variante de conversion d’énergie, afin de devenir une partie significative de l’économie à faibles émissions de carbone.

L’hydrogène pourrait alors théoriquement être stocké et transporté pour être reconverti en électricité, fermant ainsi le circuit à nouveau. Cela pourrait être une option pour les applications hors réseau, éloignées et isolées, mais il est plus facile de le faire avec des biocarburants, ce qui représente la concurrence. Les biocarburants deviendront disponibles une fois que la plupart des transports passeront à l’électricité.

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.
• La mise en place d’un réseau de pipelines pour l’hydrogène pur, la conversion des anciens réseaux (nouveaux compresseurs, nouvelles canalisations), ainsi que la création de nouveaux réseaux de pipelines pour l’hydrogène sont tous coûteux. Il faut un autre incitatif pour que cela devienne réalisable.
• Le transport par pipeline de l’hydrogène (H₂) est semblable au transport de l’électricité en tant que moyen de transport apparemment sans perte par rapport à l’électricité (comme le gaz naturel). Cependant, le transport d’hydrogène par pipeline rencontre de nombreux défis technologiques à surmonter, et seul l’avenir nous dira comment cela évoluera.
• Les garanties d’origine pour l’hydrogène bleu et vert sont un problème (peut-être la blockchain, ou peut-être que cela relève du battage médiatique…).
• L’hydrogène liquéfié, cryogénique à -253 °C, est énergivore. Utilisé pour le transport par camion, train et navire, s’il est bien isolé, l’hydrogène liquide peut rester liquide pendant 2 semaines, mais il y a une perte (blow-off) de 1 % par jour !
• L’hydrogène gazeux comprimé, comprimé à 700 bars, nécessite un réservoir coûteux (en fibre de carbone, sphérique) et une compression. De nombreux réservoirs sphériques peuvent être combinés sur une seule remorque.

Le stockage direct de l’électricité dans des batteries lithium-ion (Li-ion) est une concurrence importante. Ces batteries sont déjà largement utilisées et semblent pratiques. De plus, de nouvelles technologies de batteries sont en cours de développement. Les batteries sont également très recyclables, et la valeur des matières premières est un moteur important pour le recyclage.

Une forme de stockage différente et bien connue est le stockage d’énergie par pompage-turbinage. Cette technologie peut être facilement adaptée à n’importe quelle capacité de stockage requise à un coût connu et abordable. Cette technologie est utilisée avec beaucoup de succès depuis plus d’un siècle.

L’hydrogène est en concurrence avec l’électrification totale. La concurrence déterminera si l’hydrogène, tel que le conçoivent certains, réussira à percer.

l’avenir ? l’électrolyse propre.

La production d’électricité éolienne et solaire ne peut pas être contrôlée de la même manière que l’on peut activer et désactiver certaines autres centrales électriques. La production en temps opportun peut être estimée à l’avance (nous avons une bonne compréhension des modèles météorologiques), mais elle ne peut pas être contrôlée.

Plus de capacité de production d’électricité verte est ajoutée chaque jour, plus nous avons besoin de gérer intelligemment ces déséquilibres entre la production et la consommation, stabiliser le réseau et lisser les irrégularités (réseau intelligent).

La surcapacité et parfois l’abondance de production d’énergie renouvelable verte rendraient par moments l’électricité vraiment bon marché. Ce surplus d’approvisionnement en électricité verte recherche alors du stockage ou de nouvelles demandes.

Il se peut alors qu’il soit économique de produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau ; que la production d’hydrogène vert semble être une excellente solution, car l’hydrogène est en principe transportable et stockable (du pouvoir à H₂).

Mais beaucoup de choses doivent se produire politiquement et institutionnellement, les mécanismes doivent être créés pour que d’énormes investissements soient entrepris, et beaucoup de nouvelles technologies devront d’abord fonctionner.

On dit que les électrolyseurs n’aiment pas être allumés et éteints.

l’hydrogène à partir du biogaz.

Au lieu d’utiliser l’électrolyse, l’hydrogène (H₂) est produit par le processus connu de reformage du méthane à la vapeur (SMR). Ce procédé implique une réaction entre le gaz naturel et la vapeur d’eau à des températures et pressions élevées, ce qui génère de l’hydrogène et du CO₂. Le reformage à la vapeur du gaz naturel constitue la principale source d’hydrogène actuellement disponible dans le monde, et cette technologie est bien maîtrisée.

Dans les conditions actuelles (2022/10), utiliser du gaz de décharge, du biogaz ou du gaz d’épuration pourrait être la méthode la plus économique pour produire de l’hydrogène vert. Ce processus, appelé purification du biogaz (upgrading BGUG) en biométhane, comprend une étape de séchage et de désulfuration, la séparation du méthane et du CO₂, puis une purification supplémentaire du biométhane pour éliminer tout l’azote (N₂).

Ensuite, le biométhane est traité par le processus SMR de la même manière que le gaz naturel.

Les inconvénients sont les suivants :

• La biomasse et les bio-déchets sont toujours décentralisées,
• Les usines de SMR seront de petite taille, existantes mais coûteuses, bien qu’elles puissent fournir une quantité suffisante de H₂ vert décentralisé pour un usage industriel,
• Il n’y aura jamais assez de biométhane pour satisfaire les grandes ambitions que nous avons pour l’hydrogène.

alors, qu’est-ce que cet hopium ? comme décrit ici ?

Hopium est une fusion des mots “hope” (espoir) et “opium”. Lorsqu’il est utilisé, cela signifie la transformation de l’espoir en une drogue qui compromet notre capacité à analyser et à porter des jugements éclairés sur les nouvelles technologies.

Plus d’informations sur l’hopium :

• Paul Martin, distilled thoughts on hydrogen.
• Youtube Michael Liebreich.
• The Liebreich Hydrogen Ladder.

le future de hydrogène au Maroc.

Quelle est la particularité du Maroc ?