L’hydrogène vert s’affirme comme l’une des solutions durables clés pour la décarbonisation et comme levier de relance économique lié à la transition énergétique. Son application est présentée conjointement avec le déploiement des énergies renouvelables, la mobilité électrique durable ou la rénovation énergétique des bâtiments. Les piles à combustible et les technologies de l’hydrogène ont un grand potentiel pour devenir la base du système énergétique du futur.
Qu’est-ce que l’hydrogène ?
L’hydrogène est le gaz le plus léger de la Terre, et il est incolore, inodore et insipide. C’est le premier élément du tableau périodique et le plus abondant (environ 75% de la matière de l’Univers), mais il ne se trouve pas libre mais combiné avec d’autres éléments comme l’oxygène formant de l’eau (H2O), formant des hydrocarbures, ou avec d’autres éléments formant des composés organiques. Pour cette raison, il ne peut pas être pris directement de la nature et doit être fabriqué par différentes méthodes de production.
L’hydrogène à température ambiante se comporte comme un gaz, mais peut être liquéfié à une température approximative de -253ºC et est présent dans sa formule moléculaire, formant le gaz diatomique H2. Une molécule d’hydrogène dispose d’une haute densité énergétique par unité de masse. Comparée à l’essence, elle est 3 fois supérieure, et environ 120 fois plus que les batteries au lithium.
Pendant la génération d’électricité dans une pile à combustible, l’hydrogène se combine avec l’oxygène pour former de l’eau. Par conséquent, il n’y a pas d’émissions de CO2. Contrairement au CO2, l’hydrogène n’absorbe pas le rayonnement infrarouge, ce qui signifie qu’il n’a pas d’effets sur le réchauffement climatique.
Qu’est-ce que l’hydrogène vert ou renouvelable ?
Lorsque l’hydrogène est obtenu en utilisant des énergies renouvelables tout au long du processus de production, on l’appelle alors hydrogène vert ou renouvelable. De cette façon, il devient un carburant propre, durable et zéro émission, contribuant ainsi de manière décisive aux processus de décarbonisation et à l’amélioration du changement climatique.
Pourquoi dit-on que l’hydrogène est un vecteur énergétique et non une source d’énergie ?
L’hydrogène est intéressant parce qu’il peut être stocké, transporté et transformé en énergie (eau et chaleur), n’émettant que de l’eau. Cependant, l’hydrogène ne se trouve pas sous forme pure sur Terre. Il faut le produire à partir d’autres composés, comme l’eau, le gaz naturel ou la biomasse, et bien sûr, de l’énergie est nécessaire pour les convertir en hydrogène pur. C’est pourquoi il est plus précis de définir l’hydrogène non pas comme une source d’énergie mais comme un vecteur énergétique ou un moyen de stockage.
Comment obtient-on de l’hydrogène ?
Pour obtenir de l’hydrogène renouvelable, l’électrolyse à partir de l’eau est la plus couramment utilisée. Pour ce faire, de l’énergie électrique (courant continu) est utilisée, en appliquant des électrolyseurs pour séparer la molécule d’eau (H2O) en hydrogène (H2) et oxygène (O2). Cette énergie électrique doit provenir de sources renouvelables telles que l’énergie hydraulique, éolienne ou solaire. Lorsque, au contraire, des sources d’énergie non renouvelables comme le gaz, le pétrole ou le charbon sont utilisées, il n’est pas considéré comme de l’hydrogène vert.
D’autres processus utilisés pour obtenir de l’hydrogène sont la thermolyse, qui peut utiliser l’énergie nucléaire ou les renouvelables pour diviser les molécules d’eau en hydrogène et oxygène. Aussi par reformage et gazéification, qui, par des réactions chimiques, convertissent les combustibles organiques et fossiles en hydrogène, libérant du CO2. Dans ce cas, le CO2 peut être capturé et stocké tout au long du processus.
Types d’hydrogène et leur étiquette de couleur
Les types d’hydrogène selon la méthode de production, utilisent une étiquette de couleurs dans leur production qui détermine le niveau de durabilité atteint dans leur processus d’extraction. Selon leur nomenclature de couleur, ils sont appelés :
- Hydrogène gris : Il est obtenu à partir de combustibles fossiles par reformage du méthane avec de la vapeur, et le CO2 produit est libéré dans l’atmosphère.
- Hydrogène bleu : Il est obtenu à partir de combustibles fossiles, mais avec capture et stockage du CO2 émis.
- Hydrogène vert : Il est produit par des énergies renouvelables et de l’eau, par un processus d’électrolyse.
- Hydrogène rose : Il est obtenu par électrolyse de l’eau lorsque l’électricité provient de l’énergie nucléaire.
- Hydrogène noir/marron : Il est obtenu à partir du charbon par gazéification ; c’est un processus très polluant, car il libère du CO2 dans l’atmosphère.
Comment l’hydrogène vert est-il stocké ?
Pour stocker l’hydrogène, le choix du système le plus approprié dépendra de son application finale. La manière la plus conventionnelle est celle qui est utilisée sous forme de gaz ou liquide. Dans le premier cas (gaz), il est pressurisé et stocké dans différents types de réservoirs à une pression pouvant varier entre 200 et 700 bar dans des réservoirs ou cylindres en acier. Pour le stockage de l’hydrogène liquide (LH2), celui-ci est soumis à des températures cryogéniques (-253ºC).
La forme la plus appliquée est de pressuriser le gaz et de le stocker dans différents types de réservoirs, qui peuvent être de surface (mobiles ou stationnaires) ou situés dans des cavernes souterraines.
Il existe 4 types de cylindres conteneurs haute pression pour le stockage :
- Type I sont des récipients sous pression fabriqués en métal. L’H₂ qui est utilisé comme gaz industriel est stocké dans des réservoirs de type I, dont la pression varie entre 150 et 300 bars.
- Type II sont des récipients sous pression fabriqués avec un anneau de revêtement métallique épais enveloppé d’un composé de fibre de carbone ou de verre. Ils sont utilisés comme réservoirs haute pression dans les stations-service à hydrogène, car ils peuvent supporter jusqu’à 1000 bars.
- Type III sont des récipients sous pression formés par un revêtement métallique interne. Ils éliminent les parois métalliques épaisses et utilisent des matériaux composites qui réduisent leur poids par rapport aux types I et II.
- Type IV, sont des récipients sous pression fabriqués avec une chemise polymère haute densité, enveloppée d’un composé de fibre de carbone. Ils supportent des pressions allant jusqu’à 700 bar.
Dans quels secteurs l’hydrogène vert sera-t-il clé ?
C’est précisément la flexibilité offerte par l’hydrogène qui fait qu’il peut être si utile dans les futurs systèmes énergétiques sans carbone. Il peut être produit à partir d’une grande variété de ressources et peut être utilisé dans un large éventail d’applications. De plus, l’hydrogène est déjà largement utilisé dans le secteur chimique, de sorte que l’industrie est familière avec sa production, sa manipulation et sa distribution à grande échelle. Pour toutes ces raisons, l’hydrogène est vu comme un facteur clé pour rendre possible le système énergétique sans carbone le moins coûteux et peut être utilisé dans un large éventail d’applications.
L’une des applications potentiellement les plus utiles de l’hydrogène est dans le transport : voitures, camions ou bus électriques, à travers une pile à combustible qui convertit l’hydrogène et l’air en électricité.
L’hydrogène peut également être utile pour stocker l’énergie renouvelable provenant de sources intermittentes ; par exemple, lorsque le vent souffle mais qu’il n’y a pas une forte demande d’électricité. Dans ce contexte, c’est une excellente alternative aux batteries de grande capacité ou à d’autres systèmes de stockage, surtout maintenant que les sources intermittentes gagnent en importance dans les réseaux de l’UE.
Une autre possibilité est d’utiliser l’hydrogène comme combustible de chauffage dans nos maisons et bâtiments, soit mélangé avec du gaz naturel, soit seul.
Les principaux secteurs où l’utilisation de l’hydrogène vert sera clé dans un avenir proche seront :
- L’industrie pétrochimique
- La sidérurgie
- L’industrie chimique
- Le transport maritime
- L’aviation
- Transport public
- Transport routier
Importance de l’hydrogène vert pour l’avenir énergétique
Le gouvernement a identifié l’hydrogène comme une solution durable clé pour la décarbonisation de l’économie et le développement des chaînes de valeur industrielles et de R&D, et le fait ainsi devenir l’un des leviers de relance économique liés à la transition énergétique, aux côtés d’autres domaines tels que le déploiement renouvelable, la mobilité durable et connectée ou la rénovation énergétique des bâtiments.
Sa feuille de route fixe des objectifs nationaux pour la promotion de l’hydrogène renouvelable à l’horizon 2030 et, sur cette base, conçoit une vision pour 2050, lorsque l’Espagne devra atteindre la neutralité climatique et disposer d’un système électrique 100% renouvelable.
Quels objectifs l’Union européenne a-t-elle fixés pour l’hydrogène ?
Les objectifs que la Commission européenne s’est fixés dans sa Stratégie sur l’Hydrogène sont les suivants :
- Production : 4 GW de puissance installée en électrolyse – le système de production d’hydrogène renouvelable utilisant des énergies propres et de l’eau -, ce qui représente 10 % de l’objectif fixé par la Commission européenne pour l’ensemble de l’UE. De plus, comme étape intermédiaire, il est estimé qu’en 2024, il serait possible de disposer d’une puissance installée d’électrolyseurs comprise entre 300 et 600 MW.
- 25 % de la consommation industrielle d’hydrogène sera d’origine renouvelable en 2030. Actuellement, l’industrie utilise la quasi-totalité des 500 000 tonnes d’hydrogène consommées annuellement par l’Espagne. Dans la plupart des cas, le produit utilisé est de l’hydrogène d’origine fossile (ou de l’hydrogène gris), c’est-à-dire qu’il utilise du gaz naturel comme matière première dans sa fabrication. Pour chaque kilogramme d’hydrogène renouvelable qui remplace une consommation existante d’hydrogène non renouvelable, 9 kg de CO2 sont évités dans l’atmosphère.
- En ce qui concerne la mobilité, pour 2030, une flotte d’au moins 150 bus ; 5 000 véhicules légers et lourds ; et 2 lignes de trains commerciaux propulsés par de l’hydrogène renouvelable sont envisagées. De même, un réseau d’au moins 100 stations-service à hydrogène devrait être mis en place, ainsi que de la machinerie de manutention propulsée par de l’hydrogène dans les 5 premiers ports et aéroports.
Avantages et inconvénients de l’hydrogène vert
En ce qui concerne les avantages :
- L’hydrogène vert n’émet pas de gaz polluants pendant son processus de production et d’utilisation. C’est pourquoi on dit qu’il est 100 % durable.
- Sa grande polyvalence, pouvant être utilisée dans de multiples applications pour la mobilité, le commerce et l’industrie à partir de sa transformation en électricité ou en carburant.
- Il n’est pas toxique ni corrosif.
- Il est plus efficace par rapport aux sources de carburant d’origine fossile car il nécessite moins de masse d’hydrogène pour effectuer le même travail. Sa puissance calorifique est 3 fois supérieure à ces sources.
- Il peut être stocké pendant de longues périodes et ensuite transporté et utilisé lorsqu’il est nécessaire. Dans ce cas, il peut être un complément idéal pour les énergies renouvelables en cas de production intermittente pour le stockage à grande échelle.
En ce qui concerne les inconvénients :
- La perte d’énergie dans son cycle de production, car un petit pourcentage de l’énergie renouvelable est perdu et, de plus, cet hydrogène doit être comprimé, transporté et libéré avant d’être brûlé.
- Son coût élevé de génération, c’est pourquoi actuellement entre 80 % et 90 % de l’hydrogène généré dans le monde est produit à partir de gaz naturel, de pétrole ou de charbon. On peut s’attendre à ce qu’à mesure que les utilisations de l’hydrogène vert se développent et que la technologie nécessaire pour le développer est générée, son prix commencera à baisser.
- Le coût de l’infrastructure de recharge et la nécessité d’investir dans la R&D pour faire progresser la technologie comme besoins d’amélioration.
- La sécurité est un facteur important, car elle nécessite des niveaux de contrôle élevés car c’est un gaz inflammable et volatil. Étant difficile à détecter, car il est incolore et inodore, et étant très léger, il se disperse facilement dans l’air, il a donc un haut degré de dangerosité.
