L’hydrogène, où en est-on ?
Emmanuelle Saux
Face à l’enjeu climatique et écologique ainsi qu’à la mise en place de règlementations favorisant le décarbonage des usages énergétiques en matière de transport, l’hydrogène constitue un vecteur-énergétique très polyvalent et séduisant.
Nombreux sont ceux aujourd’hui qui le considèrent comme la solution d’avenir de la transition énergétique.
Mais pour que ce soit bien le cas, il faut que l’hydrogène soit produit à partir d’énergies décarbonées, c’est-à-dire nucléaires et renouvelables.
Après avoir fait un état des lieux de la filière hydrogène, ce dossier nous permettra de comprendre comment fonctionne l’hydrogène et ses différentes étapes de production, mais aussi quels sont les aspects sécuritaires qui entourent le stockage et l’utilisation de l’hydrogène.
Enfin, un focus sera fait sur le Businova version hydrogène, premier autobus H2 fabriqué en France.
L’hydrogène, une filière prometteuse
De nombreuses déclarations d’instituts de recherche et d’entreprises ont remis, récemment, la filière hydrogène à l’ordre du jour.
En France, l’ancien Ministre de la transition écologique et solidaire, Nicolas Hulot, a présenté le 1er juin 2018 un plan gouvernemental pour promouvoir la filière.
Qu’en est-il de son avenir ? En interrogeant les différents acteurs de la filière hydrogène française et européenne, on comprend rapidement que la technologie hydrogène trouve toute sa place dans les solutions énergétiques alternatives, plus précisément dans le secteur du transport.
Explication du développement de la filière
« La filière hydrogène est mature, c’est le moment de changer d’échelle »
Il est aujourd’hui clairement admis, et c’est également la position des dirigeants de l’AFHYPAC (Association Française pour l’Hydrogène et les Piles à Combustibles), que l’hydrogène vert apporte une solution efficace aux enjeux de la transition énergétique. Il pourrait représenter 18 % de la consommation d’énergie en 2050.
Le déploiement des nouvelles applications de l’hydrogène génèrerait en Europe en 2030 une demande annuelle de 1,8 millions de tonnes d’hydrogène, soit le double de la consommation annuelle de la France en 2015. A l’échelle de la planète, la production d’hydrogène liée aux applications non traditionnelles (hors pétrole et chimie) pourrait être multipliée par 20 d’ici 2030, passant de 0,17 à 3,5 millions de tonnes.
Du point de vue de l’ADEME (Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie) souligne que la filière hydrogène apporterait des solutions de flexibilité et d’optimisation aux réseaux énergétiques. Elle envisage ainsi un scénario à l’horizon 2035 avec 64 % d’électricité d’origine renouvelable permettant de produire 30 TWh d’hydrogène par an à un coût inférieur à 5 € le kg. Un tarif jugé aujourd’hui compétitif.
La vision du CEA (Commissariat à l’Energie Atomique) s’accorde également avec celle de l’AFHYPAC. La filière hydrogène décolle actuellement et les perspectives sont très prometteuses. Cela pour plusieurs raisons : une réelle baisse des coûts des électrolyseurs ainsi que des énergies renouvelables comme le solaire, et donc un tarif du kg d’hydrogène intéressant, associé à un besoin lié à l’électromobilité, limité pour les véhicules pur batteries, qui ne peuvent pas répondre au principe de recharge rapide comme le permet le diesel.
Ainsi, en 2050 l’hydrogène pourrait représenter 20% de la demande d’énergie en 2050 (une production équivalente à 220 TWh) et la filière pourrait représenter un chiffre d’affaires de 40 milliards d’euros et 150 000 emplois en France. Mais pour arriver à un tel résultat, des investissements conséquents doivent être réalisés. Rien qu’en France, il faudrait investir 800 millions d’euros par an dans les 10 prochaines années pour le déploiement de ces technologies. Le plan Hulot (Cf. article ci-contre) adopté en France en 2018, pourrait apporter les premières solutions financières à ce challenge, mais il est encore loin de répondre à l’intégralité de la demande.
A l’instar de nombreux pays ayant déjà structuré et développé leur écosystème hydrogène (Japon, Allemagne, Corée du Sud, Etats-Unis, etc…) la filière française est maintenant mâture et compte de nombreux industriels de premier rang sur la scène internationale. Si l’ex Ministre Nicolas Hulot disait que « toute la filière industrielle de l’hydrogène existe en France », reste maintenant à persévérer dans la mise en œuvre pour faire avancer la filière.
Le développement des projets en France
Suite au communiqué de presse de l’ADEME en date du 3 mai 2019, voici les projets validés qui concernent l’acquisition de bus hydrogène :
- AUXR_H2 : 5 bus électriques à hydrogène pour Auxerre.
- FEBUS : 8 bus à haut niveau de service (BHNS) articulés hydrogène de 18 mètres pour la Communauté d’Agglomération de Pau-Pyrénées
- HYNOVAR : bus électriques à hydrogène (quantité non précisée) sur Toulon.
- HYPORT : Projet de la région Occitanie pour développer sur l’aéroport Toulouse-Blagnac plusieurs véhicules hydrogènes dont des autobus.
- ZEV : Projet porté par le Conseil Régional Auvergne Rhône Alpes et les entreprises Michelin et ENGIE, pour le déploiement de 1 200 véhicules et 20 stations dont 14 seront dotées d’électrolyseurs.
D’autres projets ont été validés, qui concernent soit des véhicules utilitaires (bennes à ordures, taxis, camions de livraisons, etc.) soit des stations de production et stockage d’hydrogène, qui serviront à alimenter les véhicules à venir.
Le développement des projets en Europe
La majeure partie des projets de déploiement de bus en Europe sont organisés par le Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU). Le FCH JU est un partenariat public-privé, basé à Bruxelles, dont le but est l’accélération du marché des technologies de l’hydrogène et des piles à combustible.
Le FCH JU permet, au-delà de l’orientation des stratégies et du marché, l’allocation de subventions aux différents porteurs de projets. Les différents programmes successifs sont, entre autres, CHIC, JIVE, 3Emotion, JIVE 2…
Le plan Hulot
En juin 2018, quelques mois avant de quitter son ministère, Nicolas Hulot lançait un plan hydrogène qui se voulait ambitieux : 100 millions d’euros par an pendant cinq ans pour « faire de la France un leader mondial de cette technologie ». En résumé, le plan de déploiement de l’hydrogène doit permettre à cette filière de capitaliser sur ses atouts pour « conserver notre avance au cœur d’une compétition mondiale déjà féroce ». Si les premiers déploiements sont concluants, les objectifs suivants guideront l’action du Gouvernement dans les prochaines années :
- Introduire 10 % d’hydrogène décarboné dans l’hydrogène industriel d’ici à 2023 (soit environ 100 000 t) et 20 à 40% d’ici 2028 ;
- Déployer des écosystèmes territoriaux de mobilité hydrogène, sur la base notamment de flottes de véhicules professionnels, avec l’introduction :
- de 5 000 véhicules utilitaires légers et 200 véhicules lourds (bus, camions, TER, bateaux) ainsi que la construction de 100 stations, alimentées en hydrogène produit localement à horizon 2023 ;
- de 20 000 à 50 000 véhicules utilitaires légers, 800 à 2000 véhicules lourds et 400 à 1000 stations à l’horizon 2028.
Mais, selon les récentes actualités de la filière hydrogène, si le programme n’est pas remis en question, l’ambition, elle, est revue à la baisse. Ainsi, en 2019, les crédits alloués le seront en fonction des projets les plus avancés et certains pans entiers du plan pourraient être laissés en jachère. On parle ainsi d’un plan H2 revu à seulement 10 millions d’euros…
On est bien loin du compte, puisque selon les estimations de l’AFHYPAC, il faudrait investir près de 800 millions d’euros par an sur les 10 prochaines années dans la filière hydrogène pour arriver à développer ces nouvelles technologies.
La production de l’hydrogène
L’hydrogène est l’élément chimique le plus simple et le plus léger de tous les gaz dans l’univers, composé d’un proton et d’un électron. Il est invisible, inodore, non toxique, se trouve dans toutes les matières organiques et dans l’eau qui recouvre 70 % de la surface de notre planète. L’hydrogène est considéré comme le carburant parfait, le combustible le plus propre et le plus efficace parce qu’il ne pollue ni le sol, ni la nappe phréatique et ne présente aucun danger pour la couche d’ozone.
L’hydrogène, ça coule de source !
Des années que l’on entend parler de l’hydrogène comme carburant propre et inépuisable. Il en a fallu du temps avant de voir les premiers véhicules circuler avec cette énergie. Et pourtant c’est bien la solution qui permet de répondre aux impératifs zéro émission, sans ajouter de contraintes opérationnelles fortes pour les opérateurs.
Retour sur la genèse de l’hydrogène
C’est en 1671 que Robert Boyle produisit de l’hydrogène un peu par hasard alors qu’il expérimentait le fer et les acides, mais ce n’est qu’en 1766 qu’Henry Cavendish le reconnaît comme un élément distinct. Cet élément a été nommé hydrogène par le chimiste français Antoine Lavoisier.
Dans notre quotidien, lorsque nous parlons d’hydrogène, nous nous référons en fait au dihydrogène (H2). C’est cette molécule qui est composée de deux atomes d’hydrogène (H2) généralement sous forme gazeuse.
O2 + 2H2 = 2H2O
L’hydrogène, c’est la genèse de tout. C’est le premier élément qui fut créé après le Big Bang et c’est d’ailleurs le premier élément du tableau périodique, avec le symbole chimique H. L’hydrogène est l’élément le plus simple et le plus abondant de l’univers : il représente 75 % de la masse de l’univers et 92 % des atomes. C’est donc la substance la plus commune dans l’univers et la source d’énergie la plus riche pour les étoiles comme le soleil. Il se compose d’un proton (un noyau de charge positive) et d’un électron (charge négative). Il a le numéro atomique 1 et son poids atomique standard est 1.008. C’est d’ailleurs pour cela que la Journée mondiale de l’hydrogène a lieu le 8 octobre de chaque année. C’est donc l’atome le plus léger. Il présente la qualité d’être beaucoup plus léger que l’air et donc de diffuser rapidement, ce qui est un élément très favorable à la sécurité de son utilisation.
Mais qu’est-ce que l’hydrogène exactement?
Bien que l’hydrogène ait été créé suite au Big Bang, il n’existe pas naturellement sur Terre. Il forme en effet des composés covalents avec la plupart des éléments non métalliques. La majeure partie de l’hydrogène présent sur Terre existe sous des formes moléculaires telles que l’eau ou des composés organiques. Une fois combiné à l’oxygène, il se transforme en eau (H2O). Combiné au carbone, il forme du méthane (CH4), du charbon et du pétrole. On le trouve dans toutes les choses en croissance (biomasse).
Le pouvoir calorifique massique de l’hydrogène est le plus élevé de tous les combustibles existants : cela explique l’intérêt que les énergéticiens lui trouvent. 1 kg d’hydrogène contient 3 fois l’énergie d’un kg d’essence ! Sa faible densité devient par contre un inconvénient pour son transport dans la mesure où elle impose soit une mise en pression, soit une liquéfaction, les deux pénalisant la dépense énergétique qui accompagne son utilisation.
Ce carburant possède donc un haut rendement et il est non polluant. Une fois que l’hydrogène est produit sous forme d’hydrogène moléculaire, l’énergie présente dans la molécule peut être libérée en réagissant avec l’oxygène pour produire de l’eau. Cela peut être réalisé soit par des moteurs à combustion interne traditionnels, soit par des dispositifs électrochimiques appelés piles à combustible. ll est le seul combustible non carboné, donc non producteur de CO2 au cours de sa combustion.
Comment produire de l’hydrogène ?
L’hydrogène est un vecteur énergétique peu présent dans la nature à l’état moléculaire : il faut donc le produire avant de l’utiliser ou éventuellement le stocker. Il existe différentes sources et procédés pour sa production, en gardant en tête qu’il doit être produit le plus proprement possible.
L’hydrogène est produit en le dissociant des atomes avec lequel il est combiné. Ceux-ci sont des atomes d’oxygène dans le cas de l’eau, on procède alors par électrolyse. Ce sont des atomes de carbone pour les matières fossiles qui, elles, sont dissociées par reformage ou oxydation en faisant également intervenir de l’eau dans les réactions. Hormis l’eau, les matières fossiles représentent 96% des matières premières productrices d’hydrogène dans le monde (49% de gaz naturel, 29% d’hydrocarbures liquides et 18% de charbon). Au total ce sont 60 millions de tonnes d’hydrogène qui sont produits chaque année dans le monde.
À ce jour, seules de petites quantités d’hydrogène ont été générées à partir d’énergies renouvelables, mais cette quantité devrait augmenter à l’avenir. Le plan d’action national prévoit d’introduire 10 % d’hydrogène décarboné dans l’hydrogène industriel d’ici à 2023 (soit environ 100 000 t) et 20 à 40% d’ici 2028.
De fait, la quasi-totalité de l’hydrogène aujourd’hui disponible provient du reformage de gaz naturel. La thermochimie est au stade du laboratoire et l’électrolyse représente moins de 1% de la capacité totale de production de cet hydrogène ; cette dernière n’est utilisée que si l’électricité est soit fatale (cas des énergies renouvelables comme l’éolien ou le photovoltaïque), soit bon marché et/ou si une pureté élevée de l’hydrogène produit est requise. Actuellement, le recours croissant aux sources renouvelables conduit au développement de l’électrolyse, procédé bien adapté à la valorisation de ces énergies nouvelles. Dans ce cas l’empreinte carbone est nulle, ce qui rend « l’hydrogène vert ».
En résumé, l’hydrogène…
- est l’élément le plus abondant sur la planète, mais il n’existe que très rarement seul. De ce fait, l’hydrogène (H2) est produit par reformage ou électrolyse
- peut être produit de nombreuses façons. Certaines méthodes produisent du CO2 alors que d’autres ne dégagent pas de carbone
- peut-être renouvelable ou décarboné s’il est produit à partir d’électricité renouvelable ou nucléaire ou à partir de biomasse
- à la plus haute teneur en énergie de tous les carburants courants en masse
- est un carburant à haut rendement et peu polluant qui peut être utilisé pour le transport, le chauffage et la production d’énergie dans des endroits où il est difficile d’utiliser directement de l’électricité
« Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. »
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