Hydrogen, the holy grail of the energy transition?

Updated: Nov 3

L’hydrogène, l’élément le plus abondant de l’univers, est de plus en plus considéré comme l’un des acteurs clés d’un futur système énergétique durable. Certains vont même jusqu’à le qualifier de « Saint Graal » de la transition énergétique. Il reste à savoir s’ils ont raison, mais l’hydrogène possède effectivement des propriétés intéressantes qui méritent d’être explorées. Parcourons-les ensemble et voyons comment l’hydrogène peut se positionner dans la transition énergétique actuelle.

Qu’est-ce que l’hydrogène ?

Comment l’hydrogène est-il lié à la transition énergétique ?

L’un des plus grands défis auxquels l’humanité est actuellement confrontée est la transition énergétique qui est nécessaire pour lutter contre le changement climatique. Notre système énergétique actuel fonctionne en grande partie grâce aux combustibles fossiles, une source d’énergie naturelle mais finie, qui émettent de grandes quantités de CO2 causant des dommages aux personnes et à la planète comme le changement climatique et le réchauffement de la planète. Pour limiter la consommation de combustibles fossiles (et ses émissions), nous devons passer à un système énergétique qui fonctionne principalement grâce aux énergies renouvelables telles que l’énergie éolienne et solaire.

Toutefois, ces formes d’énergie ne sont pas encore totalement irréprochables. L’une des principales caractéristiques de l’électricité dans les systèmes énergétiques est que l’offre et la demande doivent rester équilibrées – une surproduction entraînerait un gaspillage d’énergie et une demande excessive provoquerait une panne du réseau. Lorsqu’il s’agit d’énergie éolienne et solaire, l’offre ne peut être contrôlée. Et comme l’électricité ne peut être utilisée qu’au moment de la production, il peut en résulter une inadéquation entre la production et la consommation.

Les inadéquations se produisent à court terme, mais aussi à plus long terme. Dans ce dernier cas, on parle souvent d’inadéquation saisonnière. Aux Pays-Bas, par exemple, environ 75 % de l’électricité solaire annuelle totale est produite pendant les six mois d’été, contre seulement 25 % en hiver. Sachant que notre consommation d’énergie est nettement plus élevée en hiver (pensez au chauffage et à l’éclairage), cela fausse encore plus l’équilibre entre la consommation et la production d’électricité renouvelable. Si l’on ajoute à cela que la part des énergies renouvelables ne fait qu’augmenter, on ne peut que voir ce décalage s’accentuer.

Cette inadéquation constitue un défi pour notre société, car nous devons apprendre à capter le surplus d’énergie et à l’utiliser en fonction de la demande. L’une des méthodes les plus connues pour y parvenir est le stockage de l’énergie par batterie, qui convient parfaitement aux déséquilibres à court terme. Malheureusement, le stockage de l’énergie par batterie pour la quantité d’énergie d’un décalage à long terme, sur une longue période également, n’est pas une option viable pour le moment…

Par rapport aux batteries, l’hydrogène permet de stocker plus facilement les décalages saisonniers, ce qui signifie qu’il sera très utile en conjonction avec les sources d’électricité renouvelables et pour stimuler l’augmentation de ces dernières. Une fois cette énergie stockée sous forme d’hydrogène, elle peut être utilisée pour de nombreuses autres applications dans différents secteurs. Si nous parvenons à faciliter la production et la distribution de l’hydrogène, celui-ci recèle un grand potentiel pour l’avenir.

Quel était le rôle de l’hydrogène auparavant ?

Si l’on remonte dans le temps, l’hydrogène joue en fait depuis longtemps un rôle dans le système énergétique. Dès le XIXe siècle, le « gaz de ville », qui pouvait contenir environ 50 % d’hydrogène, était un vecteur énergétique courant produit à partir du charbon. Avance rapide jusqu’au 21e siècle, où l’hydrogène est encore largement utilisé dans l’industrie chimique pour raffiner le pétrole brut et produire de l’ammoniac (engrais) et du méthanol.

L’hydrogène utilisé dans ces procédés est produit presque entièrement à partir de méthane (le principal composant du gaz naturel), dans un processus appelé « reformage du méthane à la vapeur », où le méthane est reformé en, principalement, CO2 et hydrogène. Actuellement, le CO2 est émis dans l’atmosphère et l’hydrogène produit est appelé hydrogène gris.

Dans l’UE, environ 340 TWh d’hydrogène sont produits de cette manière chaque année. Il est important de noter que l’utilisation actuelle de l’hydrogène est assez centralisée : environ 1/3 de sa consommation se fait autour de Rotterdam, Anvers, Chemelot et la région de la Ruhr. La production de cet hydrogène a entraîné l’émission de 100 millions de tonnes de CO2, soit environ 50% des émissions totales des Pays-Bas en 2017.

Ces chiffres considérables indiquent que le marché est déjà loin d’être inexistant.

Applications potentielles de l’hydrogène

Le nombre d’applications potentielles de l’hydrogène est énorme. En général, les utilisations peuvent être réparties dans les catégories suivantes :

• Charges d’alimentation : remplacement des charges d’alimentation en hydrogène déjà existantes pour l’engrais ammoniacal, le méthanol et les raffineries de pétrole. L’utilisation de l’hydrogène comme matière première peut être étendue à la production durable d’acier, comme élément constitutif des protéines et des produits chimiques spéciaux, et à la synthèse des carburants électriques. Les e-carburants sont des carburants neutres en carbone produits par voie électrochimique, utilisés comme alternative aux carburants tels que le diesel et le méthane.
• Électricité : l’hydrogène peut être converti directement en électricité grâce à une unité appelée pile à combustible. Cette application permet d’utiliser l’hydrogène dans le secteur de la mobilité dans les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV), tant pour les voitures particulières que pour les transports lourds. Mais les piles à combustible permettent également d’utiliser l’hydrogène comme une forme alternative de production d’électricité générale, par exemple pour alimenter une île qui n’est pas connectée au réseau électrique de son continent.
• Combustion : l’hydrogène est une substance hautement inflammable. Il existe donc de nombreuses applications pour la production de chaleur, y compris dans les foyers, mais plus particulièrement pour la chaleur industrielle à haute température. Pour la combustion interne, l’hydrogène peut être utilisé aussi bien dans les moteurs alternatifs que dans les turbines.

Production d’hydrogène

Jusqu’à présent, l’avenir de l’hydrogène semble très prometteur. Alors, où est le problème ? Le principal problème est que la plupart des processus pour lesquels nous voulons utiliser l’hydrogène sont actuellement basés sur les combustibles fossiles. Les combustibles fossiles nous ont longtemps gâtés en tant que société en nous fournissant d’énormes quantités d’énergie bon marché. À tel point que la part actuelle de la production d’électricité à partir de sources renouvelables semble encore bien mince en comparaison. Pourtant, la transition est nécessaire pour sauver notre planète.

À l’avenir, pour vraiment libérer le potentiel futur de l’hydrogène, la production doit devenir moins grise. Il existe plusieurs options pour cela, chacune ayant sa propre couleur correspondante. Actuellement, les principales sont les suivantes :

• L’hydrogène bleu, où l’hydrogène est produit de la même manière que la version grise, seul le CO2 émis sera capturé et stocké ou utilisé dans un processus distinct.
• L’hydrogène vert, où l’hydrogène est produit en utilisant de l’électricité renouvelable par un dispositif appelé électrolyseur, qui sépare l’eau (H2O) en hydrogène (H2) et en oxygène (O2).

Afin de convertir l’énergie consommée pour tous les processus ci-dessus en hydrogène vert, la société aura besoin de beaucoup d’électricité renouvelable. Le manque de contenu énergétique de l’électricité renouvelable par rapport aux combustibles fossiles est aggravé par le fait que pendant le processus de production et de stockage de l’hydrogène, environ 30 % de l’électricité renouvelable utilisée pour ce processus sera perdue. Cela rend la production d’hydrogène vert assez coûteuse. Même l’hydrogène bleu est assez cher, car il n’existe pas encore d’infrastructure de capture du carbone.

Comment l’hydrogène sera-t-il appliqué à l’avenir ?

Principalement pour des raisons économiques, il est peu probable que toutes les applications mentionnées précédemment fonctionnent à l’hydrogène dans un avenir proche. Toutefois, nous assisterons bientôt à l’introduction de l’hydrogène dans les secteurs dits « difficiles à maîtriser ». Il s’agit des secteurs où l’électrification directe n’est pas, ou pas la meilleure option. Par exemple, lorsque seule l’électricité est utilisée, il est assez difficile d’atteindre les températures requises pour certaines industries. En outre, le transport maritime fait également partie des secteurs difficiles à résorber, car recharger la batterie d’un grand navire prend tout simplement trop de temps pour être fonctionnel dans le système de transport actuel.

Les processus dans lesquels l’hydrogène est déjà utilisé – dans les raffineries de pétrole et pour la production de méthanol et d’ammoniac – seront probablement d’abord convertis à une forme durable d’hydrogène. Ensuite, il sera logique de construire et de convertir des usines de production d’acier pour utiliser l’hydrogène à la place des combustibles fossiles actuels.

Après les matières premières, ce sera probablement le secteur des transports lourds, où l’utilisation de batteries ne sera probablement pas une option viable pour certaines applications, comme la navigation, l’aviation et peut-être même les camions et les bus.

Une autre option possible pour l’utilisation de l’hydrogène pourrait être la chaleur à haute température, car les options électriques actuelles ne semblent pas capables d’atteindre des températures suffisamment élevées.

En outre, il existe encore de nombreuses applications pour lesquelles une transition (partielle) vers l’hydrogène est possible. Il est toutefois difficile de le prévoir à l’heure actuelle, car cela dépend fortement d’autres variables telles que les progrès techniques des batteries, mais aussi de notre capacité à installer une capacité de production d’électricité renouvelable suffisante.

À garder à l’esprit

Importations d’hydrogène

Étant donné qu’une grande quantité d’électricité renouvelable est nécessaire pour produire de l’hydrogène afin de répondre à la demande, et que certains pays européens ont déjà du mal à produire suffisamment d’électricité renouvelable pour couvrir leur consommation d’électricité, il est très probable que des quantités importantes d’hydrogène devront être importées de régions où il est plus facile de trouver un excédent d’électricité renouvelable. La nécessité d’importer de l’hydrogène concerne très probablement des pays comme la Belgique et les Pays-Bas, mais aussi l’Allemagne et même la France, indépendamment des projets de production d’hydrogène à partir de l’énergie nucléaire.

Parmi les endroits susceptibles d’exporter de grandes quantités d’hydrogène figurent le désert du Sahara, le Moyen-Orient, certains déserts d’Amérique du Sud et l’Australie. Afin de créer un marché efficace et équitable pour le commerce de l’hydrogène, il faudrait développer une nouvelle bourse, semblable à celle qui existe actuellement pour le gaz naturel.

Les transporteurs d’hydrogène

Plus haut dans cet article, il a été mentionné que l’hydrogène est utilisé pour produire plusieurs autres substances, comme l’ammoniac, le méthanol et les carburants électroniques. En particulier pour le transport d’hydrogène sur de longues distances, il peut être plus efficace de convertir l’hydrogène en un autre vecteur, par exemple le méthanol, que de transporter l’hydrogène pur lui-même. En effet, l’hydrogène pur doit être pressurisé ou liquéfié pour porter son contenu énergétique au niveau de l’essence, par exemple. Ces deux processus nécessitent tellement d’énergie supplémentaire que le transport sous la forme d’une autre substance devient plus efficace dans certains cas.

On ne sait pas encore très bien quel sera le transporteur d’hydrogène le plus efficace. D’autres concepts, comme les transporteurs d’hydrogène organique liquide (LOHC), sont encore en cours de développement et certains progressent rapidement dans l’échelle TRL. Des variables telles que la distance de transport et l’application finale détermineront probablement la meilleure option, ainsi que les techniques de conversion qui apporteront des améliorations majeures. La principale conclusion, toutefois, est que même si le vecteur énergétique est le méthanol, l’ammoniac ou le LOHC, l’hydrogène reste la composante énergétique la plus importante.

Conclusion

Il est difficile de dire exactement quel sera le rôle de l’hydrogène dans le système énergétique de demain, mais comme certains secteurs très importants ne peuvent être décarbonisés avec la seule électricité, l’hydrogène sera nécessaire à l’avenir. En outre, la société actuelle est entièrement fondée sur les combustibles fossiles, une forme d’énergie qui peut être stockée assez facilement et qui ne doit pas être consommée au moment où elle est produite ou extraite. Malheureusement, on ne peut pas en dire autant de l’électricité. L’électrification directe est toujours la meilleure option, si possible. Mais comme les transports, l’industrie et la société dans son ensemble sont construits sur un type d’énergie très différent, il pourrait s’avérer très difficile de tout convertir complètement pour fonctionner uniquement à l’électricité.

Alors, l’hydrogène est-il le Saint-Graal de la transition énergétique ? Probablement pas. Mais contribuera-t-il de manière significative à un système énergétique plus durable ? Et son utilisation augmentera-t-elle de façon spectaculaire au cours des prochaines décennies ? Très probablement oui.

Comment pouvons-nous vous aider ?

Greenfish comprend qu’aucun problème énergétique n’existe de manière isolée, car chaque problème fait partie d’un système énergétique intégré. D’autres disciplines techniques liées, par exemple, aux défis thermiques et électriques doivent également être prises en compte. Et comme l’hydrogène est l’incarnation d’un intégrateur de secteurs énergétiques, nous adoptons une approche systémique, en considérant les différentes formes de production, de consommation et d’infrastructure, afin de garantir que l’impact positif ne se manifeste pas uniquement à une extrémité de la chaîne de valeur.

Cette approche fait que Greenfish est bien placé pour guider le processus de mise en œuvre de solutions vertes à base d’hydrogène pour nos clients.

Vous souhaitez en savoir plus ? Prenez contact avec nos experts en énergie.

Jeroen Eblé, Consultant et chef du groupe d’experts sur l’hydrogène: [email protected]

Hugo Schoenmaker, Directeur commercial Énergie: [email protected]

Mick Richards, Responsable de la stratégie énergétique: [email protected]