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Comme l’électricité, le di-hydrogène H2 (hydrogène) est principalement un vecteur énergétique et non une énergie en tant que telle, même si quelques sources de production d’hydrogène naturel ont pu être observées. Il est donc produit à partir d’une source d’énergie. Actuellement, pour des raisons économiques, il est issu à 95 % de la transformation d’énergies fossiles, dont pour près de la moitié à partir du gaz naturel.

Avec l’accroissement de la production d’électricité à partir d’énergies décarbonées, notamment renouvelables, la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau et son utilisation dans le cadre de la transition énergétique pour atteindre une neutralité carbone en 2050 sont à l’étude. Utilisé à ce jour essentiellement dans la chimie ou le raffinage, l’hydrogène pourrait trouver d’autres applications comme celles de décarboner certains secteurs industriels, d’assurer le stockage de l’électricité ou d’alimenter le secteur des transports.
 

 

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Les sources d’hydrogène

Les ressources principales permettant de produire le di-hydrogène H2 (que l'on appellera hydrogène de façon abusive par la suite) sont l’eau et les hydrocarbures (le charbon, le pétrole ou le gaz).

En effet, chaque molécule d'eau est le fruit de la combinaison entre un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène suivant la formule H2O.

On trouve aussi de l'hydrogène dans les hydrocarbures qui sont issus de la combinaison d'atomes de carbone et d'hydrogène. C’est par exemple le cas du méthane, constituant principal du gaz naturel dont la formule est CH4, l’une des combinaisons les plus simples pour les hydrocarbures.

 

Le saviez-vous ?
La molécule de di-hydrogène, composée de deux atomes d'hydrogène, est particulièrement énergétique : la combustion d’un kg d'hydrogène libère environ trois fois plus d'énergie qu'un kg d'essence, et ne produit que de l’eau. En revanche, l’hydrogène occupe, à masse égale, beaucoup plus de volume que tout autre gaz. Ainsi pour produire autant d'énergie qu'un litre d'essence, il faut entre 6,4 et 7 litres d'hydrogène comprimé à 700 bars (700 fois la pression atmosphérique).
L’hydrogène est très léger, ce qui est un handicap pour son stockage et son transport. On utilise en général des bouteilles ou des pipelines dans lesquels il voyage sous forme comprimée. La forme liquide (à une température de - 253°C) plus dense permet d’opérer à des pressions plus faibles mais réclame plus d’énergie et est donc beaucoup plus coûteuse.

 

L’hydrogène existe aussi à l’état naturel. Les premières sources naturelles d’hydrogène ont été découvertes au fond des mers dans les années 70 et plus récemment à terre. Mais la route est longue avant d’envisager une exploitation rentable. Les connaissances sur l’origine de la formation de cet hydrogène et les recherches sur des techniques de production rentables doivent encore progresser.

L‘exploitation de l’hydrogène naturel au fond des mers, par très grands fonds et très loin des côtes, n’est pas économique. Plus récemment, des émanations d’hydrogène à terre, plus faciles d’accès, ont été décelées dans deux types de contexte géologique :
 

  • les grands massifs terrestres de péridotite (voir ci-dessous), où un contexte tectonique particulier expose les roches à l'altération par les eaux météoriques,
  • des zones situées au cœur des continents, les zones intraplaques (voir ci-dessous), et en particulier dans les parties les plus anciennes, les cratons précambriens, situés au centre des continents émergés.

 

Définitions
Péridotite
 : roche issue du manteau terrestre composée essentiellement d'olivine (jusqu'à 90 %) et de pyroxènes (minéraux ferromagnésiens). Ces minéraux contiennent du fer réduit dont l'oxydation par l'eau produit de l'hydrogène. Ces roches sont localement exposées à la surface des fonds océaniques. Elles affleurent aussi à terre dans des contextes tectoniques particuliers.
Zone intraplaque : zone située à l'intérieur d'une plaque tectonique par opposition à une zone en limite de plaque. Dans la zone intraplaque, où les échanges avec les profondeurs sont plus limités qu'aux limites de plaques, se trouvent les parties les plus anciennes des continents, les cratons.

Les modes de production de l’hydrogène

Les techniques de production consistent à extraire l’hydrogène de la ressource primaire.

Différentes techniques de production existent :
 

  • le reformage du gaz naturel à la vapeur d'eau est la technique la plus répandue. Il s’agit de faire réagir du méthane avec de l’eau pour obtenir un mélange contenant de l’hydrogène et du CO2. Le CO2 émis par ce procédé pourrait éventuellement être capté et stocké pour produire un hydrogène décarboné. En lieu et place du gaz naturel, l’utilisation du biométhane (méthane issu de la fermentation de la biomasse) constitue aussi une solution pour produire un hydrogène décarboné ;
     
  • la gazéification permet de produire, par combustion, un mélange de CO et d’H2 à partir de charbon (solution qui émet beaucoup de CO2) ou de biomasse ;
     
  • l’hydrogène peut aussi être produit à partir d’eau et d’électricité, c’est l’électrolyse de l'eau. L’électrolyseur sépare une molécule d’eau en hydrogène  et en oxygène. Cette voie est encore peu répandue car nettement plus coûteuse (2 à 3 fois plus chère que le reformage du gaz naturel) et réservée aujourd'hui à des usages spécifiques, comme l’électronique, qui requièrent un niveau élevé de pureté.

«Aujourd'hui, 95 % de l'hydrogène est produit à partir d’hydrocarbures (pétrole, gaz naturel et charbon), solution la moins coûteuse. Cependant, ce processus est, hormis pour la pyrolyse, émetteur de CO2, gaz à effet de serre. Pour produire de l’hydrogène faiblement carboné, trois options s’offrent donc aux industriels : capter le CO2 émis lors de la production par transformation des énergies fossiles, puis le transporter pour le stocker géologiquement, pyrolyser du méthane et séparer le carbone sous forme solide, enfin, le produire via l’électrolyse de l’eau, l’électrolyse étant opérée à partir d’une électricité peu carbonée fournie par de l’énergie nucléaire, éolienne ou solaire. L’enjeu reste toutefois pour cette dernière option, le coût de ce mode de production, plus onéreux à ce jour que celui du reformage du gaz naturel , même en considérant le surcoût lié au captage du CO2

Guy Maisonnier, ingénieur économiste, IFPEN

L’utilisation de l’hydrogène aujourd’hui

Actuellement, l’hydrogène a deux utilisations principales : d’une part, il sert de matière de base pour la production d’ammoniac (engrais) et de méthanol ; d’autre part, il est utilisé comme réactif dans les procédés de raffinage des bruts en produits pétroliers, carburants et biocarburants.

La consommation mondiale d’hydrogène est estimée en 2018 à 74 millions de tonnes (Mt).
En France, la consommation d’hydrogène s’élève à environ 900 000 t/an

En comparaison, la consommation mondiale d’énergie en 2017 était de l’ordre de 13 800 millions de tonnes équivalent pétrole (Mtep) (on ramène toutes les énergies à la capacité énergétique d’une tonne de pétrole) ; l’hydrogène représente donc 0,4 % de cette quantité en masse, mais 1,2 % en énergie (une tonne d’hydrogène, c’est 2,86 tep en équivalent chaleur).

L’agence internationale de l’énergie (AIE) estime que l’hydrogène décarboné pourrait contribuer à hauteur de 13% au mix énergétique global en 2050, soit une production 10 fois supérieure à celle d’aujourd’hui.

L’hydrogène est transporté principalement par un réseau de pipelines relativement étendu, avec un total de plus de 4 500 km dans le monde, dont 1 600 km en Europe et 2 500 km aux États-Unis.  Des pays comme le Japon envisagent également d’importer de l’hydrogène, qui serait alors transporté par bateau depuis l’Australie par exemple.

L’hydrogène dans la transition énergétique

L'hydrogène et les enjeux de la transition énergétique

L’hydrogène se voit assigner trois objectifs essentiels pour réussir  la transition énergétique :
 

  • Décarboner le secteur industriel très consommateur en énergie.
    L’hydrogène aurait dans ce cas deux utilisations : d’une part alimenter en énergie décarbonée les unités industrielles concernées ; d’autre part contribuer à la décarbonation des procédés industriels concernés en substitution des énergies fossiles utilisées actuellement ; c’est le cas par exemple de la fabrication d’acier qui résulte de la réduction des minerais de fer ; cette réduction opérée aujourd’hui via le charbon pourrait demain l’être en utilisant de l’hydrogène décarboné.
     
  • Décarboner le secteur des transports.
    Les véhicules électriques équipés d’une pile à combustible (PAC) transforment l’hydrogène en électricité et en vapeur d’eau, mais cette solution n'est favorable en terme environnemental que si l’hydrogène est produit à partir de sources décarbonées ; l’hydrogène présente des avantages par rapport aux batteries, en termes d’autonomie (500 à 700 km) et de temps de recharge (< 5 mn). L’hydrogène offre une autre option de décarbonation du transport qui consiste à l’utiliser comme carburant alimentant un moteur à combustion interne. Cette option est en cours de développement.
     
  • Pallier la variabilité de la production de certaines énergies renouvelables avec la possibilité de stocker l'électricité sous forme d'hydrogène.
    L'hydrogène est produit par électrolyse de l'eau, l’électricité étant fournie par une production éolienne ou photovoltaïque, puis stocké selon différents mode de stockage possible (batteries, stockage massif en cavités salines) selon l’usage qu’on veut en faire. Un intérêt de ce stockage est de pouvoir ensuite reconvertir cet hydrogène en électricité et ainsi d’optimiser la capacité de production électrique à construire et de pallier les intermittences de production des énergies renouvelables éoliennes et solaire et, enfin, de répondre aux pointes de consommation.
    Cela nécessite donc de pouvoir produire de l’hydrogène non carboné. Ceci peut être obtenu soit par la conversion d’énergies fossiles (dont notamment le reformage de gaz naturel) qui peut être décarbonée par captage de CO2 puis stockage dans le sous-sol de façon pérenne (c’est l’hydrogène bleu), soit par électrolyse, l’électricité étant produite à partir d’énergies renouvelables (il s’agit ici d’hydrogène vert). L’hydrogène produit par électrolyse peut également être décarboné si l’électricité est d’origine nucléaire.
     

Le déploiement de l’hydrogène vert est annoncé. Des projets de grande ampleur se montent comme NortH2, plus grand projet de production d’hydrogène vert d’Europe. Objectif : produire de l'hydrogène vert en utilisant de l'électricité renouvelable provenant de l'éolien offshore au large des Pays-Bas.


La valorisation de l'hydrogène décarboné

On distingue généralement quatre voies de valorisation de l’hydrogène décarboné :
 

  • Power to Industry : la vente directe aux industries consommatrices d’hydrogène vert (raffinage, chimie) afin de décarboner leurs processus industriels.
     
  • Power to Gas : valorisation dans le secteur gazier sous deux formes :
    • par injection directe dans les réseaux gaziers pour combustion,
    • par production de méthane de synthèse (selon le principe de méthanation) : conversion du monoxyde (CO) ou du dioxyde de carbone (CO2) en présence d'hydrogène) qui peut ensuite être transformé en chaleur, électricité ou carburant.
  • Dans le domaine de la mobilité, l’hydrogène peut être utilisé pour alimenter une pile à combustible embarquée à bord d’un véhicule électrique. D’autres modalités sont possibles comme par exemple , la valorisation de l’hydrogène sous forme de carburant via le procédé Fischer Tropsch. qui consiste à produire, à partir d’H2 et de CO2, un carburant utilisable dans les moteurs actuels. 
     

Le moteur à combustion interne à hydrogène constitue une solution contribuant à atteindre une mobilité propre et décarbonée dans la mesure où  la combustion de l'hydrogène produit de l'eau, de la chaleur et des oxydes d'azote (NOx). Il est considéré comme une alternative à la pile à combustible pour certains usages, et présente l’intérêt d’utiliser les outils industriels de production des motorisations thermiques existants. Cette solution, qui nécessite des adaptations spécifiques des motorisations pour obtenir un très haut rendement et de très faibles émissions de NOx, fait l’objet de travaux et de tests avancés par les équipes du Carnot IFPEN TE.

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La chaîne hydrogène simplifiée : de la production aux usages

 

Les conditions pour assurer le déploiement de l’hydrogène décarboné 

Le déploiement de l’hydrogène décarboné est à envisager d’ici la fin de la présente décennie pour trouver son plein essor dans la décennie suivante. Les défis sont en effet multiples :

  • le déploiement de la filière d’hydrogène non carboné devrait avantageusement commencer par la production d’hydrogène bleu pour des raisons économiques. Ceci peut débuter d’ici la fin de la présente décennie. Pour assurer ce déploiement, il s’agit de mutualiser la construction des infrastructures de captage, de transport et de stockage de CO2. En Europe, les premiers éléments de cette infrastructure seront opérationnels dès le milieu de la décennie.
     
  • le coût de production de l’hydrogène par électrolyse est encore  3 fois supérieur à celui obtenu par reformage du gaz naturel et 2 fois supérieur à celui du reformage avec captage de CO2. Une forte réduction des coûts sur l’ensemble de la chaîne, à commencer par le coût de production de l’électricité renouvelable (solaire, éolien) mais également celui des électrolyseurs ou des piles à combustible, est donc nécessaire ;
     
  • en parallèle, un prix du CO2 relativement élevé permettrait de réduire l’écart de coût avec le reformage du gaz naturel. Cependant, la hausse de la fiscalité carbone doit être progressive et s’accompagner de politiques publiques de soutien pour les populations les plus démunies ;
     
  • les différentes transformations impliquent des cascades de rendement, sources de pertes d’énergie, qui ont pour effet de renchérir les coûts de production ;
     
  • Le déploiement de l’hydrogène électrolytique nécessite la mise en place d’une infrastructure complexe comprenant, outre des capacités de production alimentées par des énergies renouvelables (fermes éoliennes ou solaires, connectées ou non au réseau électrique), un réseau de transport et de distribution connectant ces capacités de production aux sites d’utilisation, et un ensemble de capacités de stockage variées mises également en réseau. Le tout est géré par un système intelligent permettant d’optimiser l’adéquation de l’offre et de la demande à phases de temps quotidiennes à temporaires.
     
  • le déploiement des infrastructures de transport et de distribution nécessite des investissements importants et une durée de mise en œuvre relativement longue.
     

Plans nationaux pour l’hydrogène en France : repères

En 2015, la Loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte a fixé comme objectif d’atteindre en 2030 un taux de 32 % d’énergies renouvelables dans la consommation finale d’énergie et de 40 % d’énergies renouvelables dans la production d’électricité. L’hydrogène constitue un levier intéressant pour l’atteinte de ces objectifs.

En 2018, la France a été l’un des premiers pays à déployer un plan hydrogène. Entre 2018 et 2020  l’Etat a soutenu la filière à travers : 
• le Programme d’investissements d’avenir (PIA), qui a mobilisé plus de 100 M€ pour soutenir la mise en œuvre de démonstrateurs et la prise de participation dans des entreprises à fort potentiel ;
• le soutien à la recherche publique via l’ANR ; 
• l’accompagnement par Bpifrance de startup ou PME dans leurs projets d’innovation et de développement technologiques; 
• le soutien au déploiement de la mobilité hydrogène via l’apport de 80 M€ par l’Ademe 
• le positionnement de la Banque des Territoires via le soutien aux projets de déploiements de l’hydrogène portés par des collectivités.

Le 11 janvier 2021, le Gouvernement a annoncé l’installation d’un Conseil national de l’hydrogène.  Objectif : assurer une mise en œuvre efficace de la Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné ( PDF, site Ecologie.gouv.fr) qui témoigne de la volonté d’accélérer massivement les investissements en faveur du développement de ce dernier.
En effet,  au total, ce sont 7 milliards d’euros qui seront investis d’ici 2030 dont 2 milliards d’euros d’ici 2022 dans le cadre de France Relance.
La Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné vise trois priorités qui conjuguent développement technologique et transition écologique :
- La décarbonation de l’industrie pour contribuer à l’atteinte de la neutralité carbone en 2050 en faisant émerger une filière française de l’hydrogène.
- Le développement des mobilités lourdes à l’hydrogène.
- Le soutien à la recherche, l’innovation et le développement des compétences.

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