L'hydrogène au centre des préoccupations

Mais cela présente également des inconvénients : la production n’est pas simple, le transport peut être difficile et inefficace et, de ce fait, les avantages réels en matière de durabilité ne sont pas toujours évidents.

Nous examinons ici certaines des technologies de l’hydrogène les plus prometteuses, les premiers utilisateurs, les applications en croissance, les méthodes de transport et de stockage, ainsi que le paysage réglementaire, ainsi que les investissements gouvernementaux dans l’hydrogène.

Technologies de production d'hydrogène

L'hydrogène est l'un des éléments les plus abondants sur Terre. Cependant, il est souvent intégré dans des composés, comme l'eau, et son accès nécessite des processus. Parmi les processus clés, on peut citer :

Électrolyse

L'électrolyse est le processus de décomposition de l'eau en hydrogène et en oxygène à l'aide d'électricité. Cette méthode, notamment alimentée par des sources d'énergie renouvelables comme l'éolien ou le solaire, produit ce que l'on appelle l'hydrogène vert. Des entreprises comme Siemens et ITM Power font progresser la technologie de l'électrolyse, améliorant ainsi l'efficacité et réduisant les coûts.

Cela semble prometteur à première vue, mais cela pose des problèmes importants pour réaliser ce projet à grande échelle.

Les principaux problèmes liés à la production d’hydrogène vert comprennent :

1. Efficacité énergétique : Les électrolyseurs actuels ont un rendement de 60 à 70 %, avec des pertes d’énergie importantes. L’amélioration des technologies des catalyseurs et des membranes est cruciale. La dépendance aux énergies renouvelables, intermittentes, pose également des défis.
2. Coût : Les coûts d’investissement initiaux élevés et les coûts opérationnels permanents freinent une adoption généralisée. Des progrès technologiques et des économies d’échelle sont nécessaires pour réduire ces coûts.
3. Matériaux et ressources : Les électrolyseurs utilisent des matériaux rares comme le platine et l’iridium. La recherche sur des catalyseurs alternatifs est en cours. De plus, la demande en eau, bien que modeste, nécessite une gestion durable.
4. Infrastructures : L’intégration des électrolyseurs au réseau électrique et le développement des infrastructures de distribution et de stockage constituent des obstacles majeurs. Le transport et le stockage de l’hydrogène nécessitent des investissements substantiels dans les pipelines, les réservoirs et d’autres technologies.
5. Préoccupations environnementales : L’ensemble du cycle de vie de la production d’hydrogène doit être respectueux de l’environnement. La demande croissante d’énergies renouvelables pour la production d’hydrogène ne doit pas entraîner une résurgence des combustibles fossiles.
6. Progrès technologiques : Les électrolyseurs alcalins, PEM et SOEC présentent chacun des défis spécifiques. Améliorer l'efficacité, le coût et la durabilité est essentiel. L'intégration des électrolyseurs à diverses sources d'énergie renouvelables nécessite des systèmes hybrides et des technologies avancées.
7. Cadre économique et politique : Le développement d’un marché de l’hydrogène stable et de politiques gouvernementales favorables est essentiel. Les subventions, les crédits d’impôt et la coopération internationale peuvent stimuler la recherche, le développement et le déploiement.

Il est essentiel de relever ces défis pour que l’électrolyse de l’hydrogène devienne une solution viable et à grande échelle en matière d’hydrogène vert, soutenant la transition vers un avenir énergétique à faible émission de carbone.

Reformage du méthane à la vapeur (SMR) avec captage et stockage du carbone (CSC)

Le reformage du méthane à la vapeur implique une réaction entre le méthane (CH₄) et la vapeur (H₂O) à haute température pour produire de l'hydrogène (H₂), du monoxyde de carbone (CO) et un peu de dioxyde de carbone (CO₂).

Le SMR est très efficace, avec des rendements globaux généralement compris entre 65 % et 75 %. C'est également une technologie mature et bien maîtrisée, ce qui en fait la méthode la plus courante pour la production industrielle d'hydrogène. L'infrastructure et l'expertise nécessaires sont largement disponibles. Comparé à d'autres méthodes de production d'hydrogène, le SMR est également relativement rentable, notamment là où le gaz naturel est abondant et bon marché.

Ainsi, bien que le SMR présente des avantages indéniables, les émissions de dioxyde de carbone qui y sont associées et la dépendance aux combustibles fossiles constituent des défis importants.

L’intégration du CCS pourrait contribuer à réduire l’impact environnemental, faisant du SMR une solution de transition viable alors que le monde évolue vers des méthodes de production d’hydrogène plus durables.

Mais cette méthode de production n’est destinée qu’à servir de technologie de transition, en s’appuyant sur l’infrastructure de gaz naturel existante.

Piles à combustible à oxyde solide (SOFC)

Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) convertissent l'hydrogène en électricité par un processus électrochimique, adapté à la production d'énergie stationnaire.

Les SOFC sont des dispositifs à haut rendement qui produisent de l'électricité par réaction de l'hydrogène ou des hydrocarbures avec de l'oxygène à haute température (600 °C à 1,000 50 °C) grâce à un électrolyte céramique solide. Elles offrent des avantages tels qu'un rendement électrique élevé (60-XNUMX %), une grande flexibilité en termes de combustible (hydrogène, gaz naturel, biogaz) et une stabilité à long terme. Cependant, elles sont confrontées à des défis tels que la dégradation des matériaux, des temps de démarrage longs, des problèmes de gestion thermique et des coûts élevés liés à la cherté des matériaux et des procédés de fabrication.

Les SOFC conviennent à la production d'électricité stationnaire, aux applications industrielles et à l'énergie en zones isolées ou marines, grâce à leur rendement élevé et à leur capacité à valoriser la chaleur résiduelle. Surmonter les obstacles techniques et économiques grâce aux progrès des matériaux et des techniques de fabrication est essentiel pour une adoption plus large. Malgré les défis actuels, les SOFC sont très prometteuses pour contribuer à un avenir énergétique durable avec une réduction des émissions de gaz à effet de serre.

Des entreprises comme Bloom Energy sont à la pointe du développement de SOFC, proposant des solutions d’alimentation efficaces et évolutives pour une utilisation industrielle et commerciale.

Premiers utilisateurs et applications en croissance

Transports

Voitures particulières / Véhicules à pile à combustible à hydrogène (FCV)

Les véhicules à pile à combustible à hydrogène sont parmi les premiers à être adoptés, avec des entreprises comme Toyota (Mirai) et Hyundai (Nexo) qui produisent des modèles de voitures particulières à hydrogène disponibles sur le marché. Ces véhicules offrent une autonomie plus importante et un ravitaillement plus rapide que les véhicules électriques à batterie (VEB). Cependant, si le nombre de stations-service augmente lentement, elles ne sont pas encore généralisées.  

Toyota en particulier est resté fidèle à sa vision d'une utilisation généralisée des voitures à hydrogène : cela explique en partie pourquoi ils ont pris du retard dans le développement d'un portefeuille de véhicules électriques.

Transport lourd

La densité énergétique élevée de l’hydrogène et son ravitaillement rapide le rendent idéal pour les applications lourdes comme les camions, les bus et les trains. 

Parmi les principales avancées, citons les camions à hydrogène de Nikola Motors, dont l'autonomie peut atteindre 500 km, et les camions à pile à combustible XCIENT de Hyundai en Europe. Les villes européennes et la Chine adoptent des bus à hydrogène, tandis que le train à hydrogène Coradia iLint d'Alstom circule en Allemagne. Le secteur maritime développe des navires à hydrogène, comme les ferries de Norled en Norvège, visant un transport zéro émission. 

La croissance des stations-service à hydrogène pour camions s'accélère à l'échelle mondiale. L'Amérique du Nord et l'Europe étendent leurs réseaux, grâce à des projets d'envergure menés par des entreprises comme Nikola Motors et à des initiatives gouvernementales dans les villes qui adoptent des bus à hydrogène, garantissant ainsi une infrastructure de ravitaillement pratique et étendue.

 Applications industrielles

L'hydrogène pourrait, en théorie, être utilisé dans de nombreux procédés industriels et chimiques. Cependant, la relative difficulté de sa production, de son transport et de son stockage signifie qu'il ne constitue souvent pas une alternative pratique ou rentable aux combustibles fossiles traditionnels comme le charbon.

Production d'acier

L'industrie sidérurgique, importante émettrice de CO2, explore des procédés de réduction à base d'hydrogène pour produire de l'acier vert. Des entreprises comme SSAB en Suède sont pionnières dans cette approche, visant à remplacer le charbon par l'hydrogène.

SSAB, en collaboration avec LKAB et Vattenfall, dirige l'initiative HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology). HYBRIT vise à remplacer le charbon dans le processus de fabrication de l'acier par de l'hydrogène, qui produit de l'eau au lieu de CO₂. L'usine pilote de SSAB à Luleå, en Suède, a déjà produit la première éponge de fer au monde à teneur réduite en hydrogène.

D’autres entreprises, principalement en Europe, expérimentent également l’hydrogène à la place des combustibles fossiles traditionnels.  

Salzgitter AG développe le projet SALCOS (Salzgitter Low CO₂ Steelmaking) pour décarboner la production d'acier. Cette initiative comprend l'utilisation de l'hydrogène pour la réduction directe du minerai de fer. Salzgitter s'est associée à Sunfire GmbH pour utiliser sa technologie d'électrolyse à haute température afin de produire de l'hydrogène vert.

ArcelorMittal étudie plusieurs projets basés sur l'hydrogène pour réduire les émissions de CO₂. À Hambourg, en Allemagne, l'entreprise teste une usine de réduction directe utilisant l'hydrogène pour produire du fer de réduction directe (DRI). Ce projet pilote vise à démontrer la faisabilité de l'hydrogène comme agent réducteur dans la production d'acier.

Tata Steel travaille sur le projet HIsarna dans son usine d'IJmuiden, qui vise à réduire les émissions de CO₂ en intégrant l'hydrogène dans le processus de fabrication de l'acier. Ce projet vise à convertir le minerai de fer en fer en utilisant de l'hydrogène plutôt que des matériaux à base de carbone.

Thyssenkrupp développe son projet Carbon2Chem, qui utilise notamment l'hydrogène pour produire de l'acier. Ce projet vise à capter et à convertir les émissions liées à la production d'acier en produits chimiques, en utilisant l'hydrogène comme composant clé. Thyssenkrupp prévoit également de construire une usine de réduction directe à base d'hydrogène à Duisbourg.

L’industrie chimique

L’hydrogène vert, produit par électrolyse alimentée par des énergies renouvelables, transforme la production d’ammoniac et de méthanol, des produits chimiques essentiels aux applications industrielles importantes.

Traditionnellement, l'ammoniac est produit par le procédé Haber-Bosch à partir d'hydrogène issu du gaz naturel, ce qui entraîne d'importantes émissions de CO₂. L'utilisation d'hydrogène vert permet de combiner cet hydrogène avec de l'azote atmosphérique pour produire de l'ammoniac sans émission de CO₂. Cet ammoniac vert est essentiel pour les engrais et constitue un vecteur énergétique décarboné potentiel.

Le méthanol est généralement produit à partir de gaz de synthèse (un mélange d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de CO₂) dérivé du gaz naturel ou du charbon, qui émet également beaucoup de CO₂. L'hydrogène vert, combiné au CO₂ capté, permet de produire du méthanol par hydrogénation, produisant ainsi du méthanol et de l'eau. Le méthanol vert sert de matière première chimique et de carburant, avec une empreinte carbone bien plus faible.

Notamment, Yara International et Siemens-CF Industries développent des projets d'ammoniac vert. De son côté, Carbon Recycling International (CRI), en Islande, produit du méthanol renouvelable à partir d'hydrogène vert et de CO₂.

Autres secteurs

Au-delà de l’acier et des produits chimiques, l’hydrogène est exploré dans divers procédés industriels pour réduire les émissions et améliorer la durabilité :

1. Production de ciment : l’hydrogène peut remplacer le charbon et le gaz naturel dans les fours à ciment pour réduire les émissions de CO₂.
2. Fabrication du verre : l’hydrogène sert de combustible propre pour les fours à haute température.
3. Raffineries : le passage à l’hydrogène vert pour l’hydrocraquage et la désulfuration peut réduire les émissions.
4. Alimentation et boissons : l’hydrogène alimente les fours et les chaudières, réduisant ainsi l’utilisation de combustibles fossiles.
5. Textiles et Pape* : L’hydrogène offre une alternative plus propre pour le chauffage et la production de vapeur.
6. Opérations minières : les piles à combustible à hydrogène alimentent les machines lourdes, réduisant ainsi l’impact environnemental.
7. Fabrication électronique : l’hydrogène vert est utilisé dans la production de semi-conducteurs.
8. Transport et logistique : les piles à combustible à hydrogène alimentent les camions, les bus, les chariots élévateurs et les équipements de manutention.

Ces développements démontrent le potentiel de l’hydrogène pour décarboner diverses industries à fortes émissions, mais il reste une option plus coûteuse et moins pratique que le statu quo.

Stockage d'énergie et production d'électricité

Stockage d'énergie à l'échelle du réseau

L’hydrogène peut stabiliser le réseau électrique en stockant l’excédent d’énergie renouvelable et en le libérant lors des pics de demande. 

En période de surproduction d'énergie renouvelable, les électrolyseurs utilisent cet excédent d'électricité pour décomposer l'eau en hydrogène et en oxygène. L'hydrogène est ensuite stocké sous forme de gaz comprimé, d'hydrogène liquide ou de composés chimiques. Lorsque la demande excède l'offre, l'hydrogène stocké est reconverti en électricité grâce à des piles à combustible ou des turbines à combustion. 

Les piles à combustible produisent de l'électricité en combinant hydrogène et oxygène, tandis que les turbines à combustion brûlent de l'hydrogène pour produire de l'électricité. Ce procédé permet d'équilibrer l'offre et la demande, de fournir une alimentation de secours fiable et de faciliter la régulation de la fréquence. 

Les systèmes de stockage d'hydrogène sont évolutifs et permettent de stocker de l'énergie sur de longues périodes, ce qui les rend idéaux pour s'intégrer aux sources d'énergie renouvelables et améliorer la stabilité du réseau. Cette approche contribue à un système énergétique plus fiable et durable en garantissant une fourniture d'électricité constante malgré la variabilité des sources d'énergie renouvelables.

Des projets comme le projet européen HyDeploy visent à intégrer l’hydrogène dans les réseaux de gaz naturel, en exploitant les infrastructures existantes.

Systèmes d'alimentation de secours

Les piles à combustible à hydrogène offrent une alimentation de secours fiable et propre pour les infrastructures critiques comme les centres de données. Elles fournissent une alimentation continue tant que l'hydrogène est présent et peuvent démarrer rapidement pour assurer une alimentation de secours immédiate en cas de panne. 

Produisant de l’électricité grâce à une réaction électrochimique, les piles à combustible n’émettent que de l’eau et de la chaleur, ce qui les rend respectueuses de l’environnement et réduit l’empreinte carbone, notamment lorsqu’elles utilisent de l’hydrogène vert.

Les piles à combustible sont hautement efficaces, modulaires et évolutives, ce qui leur permet de répondre à des besoins énergétiques spécifiques tout en offrant une maintenance réduite et un fonctionnement silencieux. La production et le stockage d'hydrogène sur site renforcent la sécurité énergétique, assurant l'indépendance du réseau et un approvisionnement stable en combustible. 

En adoptant des piles à combustible à hydrogène, les centres de données peuvent obtenir une alimentation électrique fiable et ininterrompue, réduire les émissions et contribuer aux objectifs de durabilité, ce qui en fait une alternative intéressante aux générateurs diesel traditionnels.

Des entreprises comme Microsoft expérimentent des piles à combustible à hydrogène pour leurs centres de données.

Stockage et transport de l'hydrogène

Stockage

Le stockage de l'hydrogène est essentiel pour son utilisation comme vecteur énergétique, notamment pour l'intégration des énergies renouvelables, les transports et les procédés industriels. Des solutions de stockage efficaces doivent répondre aux défis de densité énergétique, de coût, de sécurité et d'infrastructure. Voici quelques-unes des principales méthodes de stockage de l'hydrogène :

Stockage de gaz comprimé

L'hydrogène est stocké dans des réservoirs haute pression (350 à 700 bars). Cette technologie éprouvée est largement utilisée, notamment dans les véhicules à pile à combustible à hydrogène (FCV). Bien que relativement simple, sa densité énergétique est inférieure à celle d'autres méthodes, ce qui nécessite des volumes de stockage plus importants. Le stockage haute pression nécessite également des matériaux robustes et durables, ce qui augmente les coûts.

Stockage d'hydrogène liquide

L'hydrogène est refroidi à -253 °C et stocké sous forme liquide dans des conteneurs isothermes. Cette méthode offre une densité énergétique plus élevée, ce qui la rend adaptée aux applications à espace restreint comme l'aérospatiale. Cependant, le maintien des températures cryogéniques nécessite une énergie considérable et une isolation spécialisée, ce qui augmente la complexité et les coûts. Des pertes par évaporation se produisent également au fil du temps.

Stockage de produits chimiques

L'hydrogène peut être stocké dans des composés chimiques tels que les hydrures métalliques, l'ammoniac ou les transporteurs organiques liquides d'hydrogène (LOHC). Les hydrures métalliques offrent une densité énergétique volumétrique élevée et une sécurité élevée, mais leur taux de libération d'hydrogène est lent. L'ammoniac possède une densité énergétique élevée et une infrastructure établie, mais il est toxique et corrosif. Les LOHC offrent une manipulation sûre et utilisent l'infrastructure existante, mais nécessitent des procédés énergivores pour libérer l'hydrogène.

Stockage souterrain

L'hydrogène peut être stocké dans des cavernes souterraines, des dômes de sel ou des gisements de gaz naturel épuisés. Cette méthode est rentable pour les grands volumes et adaptée au stockage à l'échelle du réseau, mais nécessite des formations géologiques adaptées et présente des risques de fuite et de contamination.

Matériaux avancés

La recherche sur les matériaux avancés tels que les structures organométalliques (MOF) et les matériaux à base de carbone se poursuit. Ces matériaux pourraient offrir des capacités de stockage élevées à basse pression et à température ambiante, mais ils sont encore en phase de recherche et se heurtent à des défis en termes d'évolutivité et de coût.

Transports

Pipelines

L'hydrogène peut être transporté par les gazoducs existants, moyennant des modifications ou la construction de nouveaux gazoducs dédiés. Des projets comme le Réseau européen de l'hydrogène proposent la création d'un réseau transeuropéen d'hydrogène d'ici 2040.

Camions-citernes

Pour les distances plus courtes, l'hydrogène peut être transporté sous forme comprimée ou liquéfiée par camion-citerne. Cette méthode est actuellement utilisée pour l'approvisionnement industriel en hydrogène.

Livraison

Le transport d'hydrogène liquide est en cours de développement pour le transport international. Kawasaki Heavy Industries a lancé le premier transporteur d'hydrogène liquéfié au monde, le Suiso Frontier, facilitant ainsi le commerce d'hydrogène à grande échelle.

Nouvelles méthodes

De nouvelles options de transport apparaissent également, souvent en tandem avec le transport de matériaux clés dans les processus industriels.

Par exemple, l'hydrogène peut être incorporé au minerai de fer pour être transporté vers les aciéries. Cette méthode consiste à utiliser l'hydrogène pour réduire le minerai de fer en fer de réduction directe (DRI), réduisant ainsi considérablement les émissions de dioxyde de carbone lors de la production d'acier. Cette méthode remplace le carbone par de l'hydrogène lors du processus de réduction, produisant de la vapeur d'eau au lieu de dioxyde de carbone. Le DRI, contenant de l'hydrogène incorporé, est ensuite transporté vers les sites de fabrication d'acier pour y être transformé ultérieurement dans des fours à arc électrique (FAE), qui peuvent être alimentés par des énergies renouvelables. Cette approche décarbone l'industrie sidérurgique, optimise la logistique existante pour le minerai de fer et favorise l'utilisation de l'hydrogène vert.

Les questions de réglementation

Normes de sécurité

L'inflammabilité de l'hydrogène exige des normes de sécurité strictes pour sa production, son stockage et son transport. Des organismes de réglementation comme l'Organisation internationale de normalisation (ISO) et le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) élaborent des directives de sécurité pour garantir une manipulation sûre.

Le développement des infrastructures

Les cadres réglementaires doivent soutenir le développement des infrastructures, notamment les pipelines, les stations-service et les installations de stockage. Les politiques favorisant les partenariats public-privé et la simplification des procédures d'autorisation sont essentielles.

Incitations et subventions

Les gouvernements mettent en place des mesures incitatives telles que des crédits d'impôt, des subventions et des aides pour promouvoir l'adoption de l'hydrogène. Le Pacte vert de l'Union européenne, par exemple, prévoit un financement important pour les projets hydrogène.

Investissement gouvernemental

Europe

L'Union européenne est un leader en matière d'investissement dans l'hydrogène, la stratégie européenne pour l'hydrogène visant à installer 40 GW d'électrolyseurs d'ici 2030. Des pays comme l'Allemagne, la France et les Pays-Bas ont des stratégies nationales importantes en matière d'hydrogène, investissant des milliards dans la recherche, les infrastructures et les projets pilotes.

Asia

Le Japon et la Corée du Sud sont des pionniers dans l'économie de l'hydrogène. La stratégie japonaise pour l'hydrogène vise une société basée sur l'hydrogène, avec des investissements dans les véhicules à pile à combustible et la production d'hydrogène. La feuille de route sud-coréenne pour l'économie de l'hydrogène vise à déployer 5.26 millions de véhicules à hydrogène d'ici 2040.

Amérique du Nord

Les États-Unis intensifient leurs investissements dans l'hydrogène, avec l'initiative Hydrogen Energy Earthshot du DOE qui vise un prix d'hydrogène de 1 $/kg d'ici 2030. La Californie est un précurseur, avec une vaste infrastructure de ravitaillement en hydrogène et des mesures incitatives pour les véhicules à pile à combustible à hydrogène. La stratégie canadienne pour l'hydrogène met l'accent sur la production d'hydrogène vert et son potentiel d'exportation.

Montre du potentiel, une marge de progression…

L'hydrogène est une alternative polyvalente et prometteuse aux combustibles fossiles, avec des applications couvrant les transports, les procédés industriels et le stockage d'énergie. Les premiers utilisateurs des secteurs de l'automobile et des transports lourds démontrent le potentiel de l'hydrogène, tandis que les applications industrielles offrent d'importantes opportunités de décarbonation. Des solutions de transport et de stockage efficaces sont essentielles au succès de l'hydrogène, ce qui nécessite des avancées en matière d'infrastructures et de technologies.

Les cadres réglementaires et les investissements publics sont essentiels pour favoriser l'adoption de l'hydrogène. Grâce à des normes de sécurité rigoureuses, des politiques de soutien et un financement substantiel, l'hydrogène peut jouer un rôle crucial dans la réalisation des objectifs climatiques mondiaux. 

Mais – et cela est vrai depuis longtemps – l’hydrogène n’a pas tenu ses promesses. 

À mesure que la technologie progresse et que des économies d’échelle sont réalisées, le rôle de l’hydrogène dans la transition énergétique devrait continuer à s’étendre, offrant une voie plus durable.