Qu’est-ce que l’énergie basée sur l’hydrogène ?

@Pexels

Par Pictet AM

Compte tenu de l’augmentation de la production et de la baisse des coûts, il semblerait qu’on puisse compter sur l’hydrogène à l’avenir. L’hydrogène est l’élément le plus ancien, le plus léger et le plus abondant de l’univers.

Mais ce n’est qu’en 1766 que le monde a pris conscience de son potentiel en tant que source d’énergie.

Dans le cadre d’une expérience révolutionnaire, le scientifique anglais Henry Cavendish a isolé le gaz en mélangeant le métal et l’acide pour obtenir ce qu’il appelait alors de «l’air inflammable», dont la combustion produit de l’eau. Malheureusement, les plus grands esprits de ce monde n’ont pas beaucoup progressé depuis. Les efforts déployés pour transformer l’hydrogène en source d’énergie propre ont régulièrement été entravés par les coûts implicites. Ce gaz était en effet très cher à produire, à stocker et à transporter. De nombreux experts l’ont donc écarté des alternatives viables aux combustibles fossiles.

 

Evolutions récentes

 

Les évolutions récentes indiquent cependant que ce point de vue n’a plus lieu d’être.

De l’Europe à l’Asie et au Pacifique, les gouvernements et les entreprises (producteurs d’électricité et de gaz, services publics et constructeurs automobiles) intensifient leurs investissements dans le développement de nouvelles technologies reposant sur l’hydrogène. Ces efforts ne sont pas à prendre à la légère. Ils témoignent des avancées qui permettent de penser que les coûts de production de l’hydrogène pourraient bientôt chuter aussi vertigineusement que ceux de l’énergie éolienne et solaire.

 

Les nombreuses couleurs de l’hydrogène

 

Si l’hydrogène est le gaz le plus abondant de la planète, il n’existe pas sous sa forme pure dans l’atmosphère. Il n’existe que peu de techniques pour l’extraire, toutes complexes et coûteuses. À l’heure actuelle, environ 95% de l’hydrogène est «brun» ou «gris» et extrait via un procédé qui consiste à l’isoler du charbon ou du gaz naturel par reformation de méthane ou de l’hydrocarbure. Ces procédés industriels génèrent jusqu’à 11 kg de dioxyde de carbone sous forme d’émissions indirectes pour seulement 1 kg d’hydrogène produit.

 

C’est là qu’intervient l’hydrogène «bleu», dont l’empreinte carbone est beaucoup plus faible. Dans un premier temps, le procédé utilisé pour produire l’hydrogène bleu est le même que pour l’hydrogène gris. La différence réside dans l’ajout d’une étape supplémentaire destinée à réduire les émissions de CO2 associées à la production de l’hydrogène. Elle met en œuvre la technologie de captage et de stockage du carbone (CSC), qui consiste à enfouir le bi-produit carbone dans des réservoirs souterrains. Cette technologie n’est pas bon marché. Elle n’est pas non plus totalement neutre en termes d’émissions.

L’hydrogène bleu devient compétitif à partir d’un prix du carbone (taxe demandée aux pollueurs) d’environ 60 à 70 euros par tonne de CO2 et à condition que le secteur intensifie la technologie commerciale de CSC.

 

Rendre l’hydrogène plus vert

 

Compte tenu des lacunes environnementales présentées par l’hydrogène brun, gris et bleu, c’est peut-être l’hydrogène «vert» qui offre la solution la plus durable.

L’hydrogène vert provient de l’électrolyse de l’eau, un procédé qui décompose l’eau en oxygène et en hydrogène, en utilisant un courant électrique généré par des sources renouvelables telles que l’énergie éolienne ou solaire. Ce procédé ne produit aucune émission de carbone, d’où sa qualification «verte».

À l’échelle de la planète, la capacité de l’hydrogène vert est passée de 1 MW en 2010 à 25 MW en 2019 selon l’AIE, grâce à une baisse spectaculaire des coûts des énergies renouvelables.

Problème: ce procédé représente moins de 0,1% de la production totale d’hydrogène actuelle2. Cependant, avec l’augmentation des investissements dans cette technologie, la situation pourrait considérablement évoluer dans les dix ans à venir.

L’Union Européenne, qui affiche un objectif de réduction de CO2 ambitieux, prévoit d’installer 6 GW de capacités de production d’hydrogène vert, d’un coût estimé entre 5 et 9 milliards d’euros et compte atteindre 80 GW d’ici 2030 (valeur de l’investissement : 44 milliards d’euros).

Les investissements cumulés dans l’hydrogène renouvelable en Europe pourraient atteindre 470 milliards d’euros d’ici 2050, ce qui porterait la part de l’hydrogène dans le mix énergétique européen à 13-14% d’ici 2050, contre moins de 2% aujourd’hui3.

L’hydrogène vert peut aussi être une solution viable et durable à grande échelle pour stocker l’excédent de la production d’énergie renouvelable. Il pourrait représenter un enjeu croissant dans les décennies à venir compte tenu du remplacement progressif des combustibles fossiles dans le mix énergétique.

 

Solution de stockage

 

L’hydrogène peut aussi être utilisé pour capter l’excédent d’énergie renouvelable. Les électrolyseurs peuvent être utilisés 24 heures sur 24 pour produire de l’hydrogène vert avec l’énergie renouvelable excédentaire pour éviter le «curtailment». L’hydrogène peut être stocké sous forme gazeuse ou liquide dans un réservoir haute pression ou à très basse température prêt à être déployé. Si de nombreux progrès sont encore nécessaires pour rendre le stockage de l’hydrogène compétitif, il peut s’agir d’une niche importante pour l’hydrogène dans le mix énergétique.

 

Voitures à hydrogène en circulation

 

Les mandats et les politiques actuels (une cinquantaine dans le monde) se concentrent principalement sur l’introduction de l’hydrogène vert dans le secteur des transports. C’est tout à fait compréhensible. Le transport représente environ un cinquième des émissions annuelles et constitue la principale cause de pollution dans les villes.

Dans ce domaine, les progrès en matière de piles à combustible, qui fonctionnent comme des batteries mais n’ont pas besoin d’être rechargées, sont cruciaux pour l’accélération de l’utilisation de l’hydrogène dans les véhicules.

C’est là qu’il convient de modérer l’optimisme des défenseurs de l’hydrogène. Les piles à combustible convertissent généralement le carburant hydrogène en électricité, qui alimente ensuite les véhicules. Cependant, leur efficacité énergétique, mesurée par la quantité d’électricité finale qu’elles peuvent extraire pour 100 unités d’énergie renouvelable, se situe à un faible 26% contre 69% pour les batteries (les piles à combustible font toutefois mieux que les moteurs à combustion interne, qui affichent une efficacité de 13%4).

Les piles à combustible sont désavantagées par la perte de puissance subie pendant les processus de conversion (transmission, électrolyse et transport) ainsi que par le moteur électrique et les applications mécaniques.

Pour autant, les coûts du système de piles à combustible s’effondrent grâce au perfectionnement de la technologie et aux économies d’échelle. Ce facteur pourrait favoriser une plus large utilisation de ces piles dans certains types de véhicules, pour lesquels les batteries ne peuvent pas rivaliser en raison de la durée des temps de charge.

Il y a quelques années de cela, la production d’un seul kilowatt de puissance avec des piles à combustible à hydrogène coûtait plus de 1 000 dollars. En 2019, ce coût était tombé à 53 dollars selon le département américain de l’énergie.

On s’attend à ce que les véhicules à pile à combustible à hydrogène, utilisés dans des segments de niche de poids moyens et lourds tels que les bus et les camions, puissent atteindre la parité du coût total de possession avec le diesel d’ici 2028-2033.

 

Il faut aussi développer les infrastructures

 

Fin 2019, 470 stations de ravitaillement en hydrogène étaient en service dans le monde, soit une progression de plus de 20% par rapport à 2018.

On peut tabler sur une poursuite de cette croissance, notamment en Asie. Le Japon dispose de la plus vaste infrastructure d’alimentation en hydrogène au monde, avec 113 stations de ravitaillement. Le gouvernement japonais fait un énorme pari sur l’avenir de l’hydrogène, menant une politique industrielle et réalisant des investissements ambitieux dans ce domaine.

En Chine, le nombre de stations de ravitaillement a triplé en 2019 pour atteindre 61. Les autorités chinoises explorent de nouvelles possibilités pour le rail alimenté à l’hydrogène après un programme pilote réussi en 2019.

L’hydrogène a souvent fait l’objet d’attentes déçues. Mais la course féroce au développement de nouvelles technologies, soutenue par les investissements importants des gouvernements, change la donne. La lutte contre le changement climatique par la décarbonisation est un défi qui doit mobiliser toutes les forces. L’hydrogène devrait bientôt jouer un rôle considérable dans cette transition.

 

Consultez aussi le corner Thématiques d’investissement

2 réponses sur “Qu’est-ce que l’énergie basée sur l’hydrogène ?”

  1. Le rendement thermodynamique d’un moteur thermique est de l’ordre de 33% à 35% contrairement à ce qui est indiqué – 14% – dans cet article..

    1. Merci beaucoup pour votre contribution. Voici la réponse du rédacteur de l’article:

      En effet, le rendement thermodynamique d’un moteur thermique se trouve dans votre ordre de grandeur.

      Les 13% mentionnés dans l’article font référence à l’efficience totale d’une voiture avec moteur à combustion qui utiliserait du carburant synthétique produit à partir d’énergie renouvelables en passant par l’hydrogène. Ce calcul prend donc en compte dans tout son cycle énergétique depuis la production des énergies renouvelables avec les pertes lié à la transmission de l’électricité, les pertes dans le processus de l’électrolyse pour produire de l’hydrogène, puis pour en faire du carburant synthétique, son transport à la station à « essence » ainsi que les pertes du rendement thermodynamique du moteur thermique que vous mentionnez. Celui se compare donc au 69% d’efficience pour les un moteur électrique qui utiliserait de l’électricité à base d’énergie renouvelable qui n’aurait que les pertes liées à la transmission de l’électricité à travers le réseau ainsi que les pertes au sein de la batterie et du moteur électrique.

      Nous espérons avoir pu clarifier cette question.

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *