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Comme l’électricité, l’hydrogène est principalement un vecteur énergétique produit à partir d’une autre ressource. Actuellement, pour des raisons économiques, il est issu à 95 % du gaz naturel. Quelques sources naturelles d’hydrogène ont cependant été observées.

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 sont à l’étude. Utilisé à ce jour essentiellement dans la chimie ou le raffinage, l’hydrogène pourrait trouver d’autres applications comme celles 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 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 ou 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 4,6 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°) est 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, 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, 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 le di-hydrogène H2 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 à des usages spécifiques qui requièrent un niveau élevé de pureté comme l’électronique.
     

«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 émetteur de CO2, gaz à effet de serre. Les industriels  envisagent de plus en plus de produire l’hydrogène via l’électrolyse en recourant à des énergies décarbonées. L’enjeu reste toutefois le coût de ce mode de production bien plus onéreux à ce jour que celui du reformage.»

Guy Maisonnier, ingénieur économiste, IFPEN

L’utilisation de l’hydrogène aujourd’hui

Actuellement, l’hydrogène a deux utilisations principales :
 

  • c’est une matière de base pour la production d’ammoniac (engrais) et de méthanol,
  • il est aussi utilisé pour le raffinage des produits pétroliers, carburants et biocarburants.
     

La consommation mondiale d’hydrogène est estimée en 2017 à 60 millions de tonnes (Mt).
En France, la consommation d’hydrogène s’élevait en 2017 à un Mt.

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).

Cet hydrogène est transporté 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.
 

L’hydrogène dans la transition énergétique

L'hydrogène et les enjeux de la transition énergétique

L’hydrogène pourrait répondre à deux enjeux essentiels de la transition énergétique :
 

  • 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 termes 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).
       
  • Pallier la variabilité de la production de certaines énergies renouvelables avec la possibilité de stocker l'hydrogène :
    • l'hydrogène est produit par électrolyse de l'eau en utilisant les excédents de la production électrique, éolienne et photovoltaïque notamment,
    • l'hydrogène ainsi produit peut être stocké puis reconverti en électricité, 
    • le stockage est envisagé principalement en cavité saline.
       

Cela nécessite donc deux conditions :
 

  • La possibilité de produire de l’hydrogène décarboné ou hydrogène vert :
    • la production d’hydrogène n’est pas émettrice de CO2 dans le cas de l’électrolyse, si l’électricité est elle-même décarbonée, c’est-à-dire produite à partir d’énergies renouvelables ou de nucléaire,
    • dans le cas d’une production par reformage de gaz naturel, le CO2 émis doit être capté puis stocké de façon pérenne dans le sous-sol pour obtenir un hydrogène décarboné.
       
  • La montée en puissance de la production d’électricité décarbonée, à partir notamment des énergies renouvelables, afin de répondre aux besoins de production d’hydrogène par électrolyse.
     

La production d’"hydrogène vert" n’est pas encore une réalité. Une transformation des systèmes énergétiques et du contexte technico-économique seront nécessaires pour y parvenir.
 

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.
       
  • Power to Power : production d’électricité grâce aux piles à combustibles.
     
  • Power to mobility – efuel : transformation de l’hydrogène en un autre carburant via le procédé appelé Fischer Tropsch. Il s’agit de produire une autre molécule à partir d’H2 et de CO2 pour obtenir un carburant utilisable dans les moteurs actuels.
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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 à grande échelle de l’hydrogène n’est pas envisagé avant 2030. Les défis sont en effet multiples :
 

  • le coût de production de l’hydrogène par électrolyse est encore 2 à 3 fois supérieur à celui obtenu par reformage du gaz naturel. Une forte réduction des coûts sur l’ensemble de la chaîne, que ce soit pour les électrolyseurs ou les véhicules à 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 ;
     
  • un accès à de l’électricité décarbonée à coût compétitif est nécessaire pour réduire le coût de production par électrolyse. Cette condition requiert la poursuite de la baisse de coût des énergies solaires ou éoliennes ;
     
  • les différentes transformations impliquent, dans certains cas, des cascades de rendement sources de pertes d’énergie, qui ont pour effet de renchérir les coûts de production ;
     
  • certaines voies de transformation (méthanation, Fischer Tropsch) impliquent d’avoir accès à du CO2, ce qui induit un coût supplémentaire et le besoin de développer les technologies de captage du CO2 ;
     
  • les systèmes hydrogène nécessitent le déploiement d’un nouveau cadre dans le secteur électrique intégrant les énergies renouvelables, les réseaux associés et des modes de gestion adaptés (réseau intelligent ou smart grid) ;
     
  • le déploiement des infrastructures de transport et de distribution nécessite des investissements importants et une durée de mise en œuvre relativement longue.

 

Un plan national pour l’hydrogène en France
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.
Le 1er juin 2018, le gouvernement a donc lancé un plan HydrogèneL’objectif est d’atteindre 10 % d’hydrogène produit à base de sources renouvelables à l’horizon 2023. Le projet de loi Programmation pluriannuelle de l'énergie (PPE) paru en janvier 2019 a repris cet objectif. Dès 2019, 100 M€ seront dédiés aux développements de technologies de production et de transport dans les territoires.