L'hydrogène s'impose comme un vecteur énergétique pour favoriser la transition vers une planète sans carbone. Grâce à sa capacité à stocker de l'énergie à grande échelle et à réduire les émissions de carbone dans des secteurs tels que l'industrie lourde et les transports, l'hydrogène suscite de plus en plus l'attention des gouvernements et des acteurs industriels. Les énergies renouvelables, véritables alliées de la transition énergétique sont pensées avec l'objectif de minimiser l'empreinte carbone et de démocratiser les usages, notamment celui de l'énergie hydrogène.
Production et types d'hydrogène : vert, bleu, gris
L'hydrogène peut être produit selon différents procédés, avec des répercussions environnementales variables. On distingue trois principaux types d'hydrogène :
- L'hydrogène gris, issu du reformage du gaz naturel, le plus répandu mais aussi le plus émetteur de CO2.
- L'hydrogène bleu, produit à partir de gaz naturel avec capture et stockage du CO2.
- L'hydrogène vert, obtenu par électrolyse de l'eau à partir d'électricité renouvelable.
L'hydrogène vert est considéré comme le plus intéressant pour une production décarbonée à grande échelle. Son procédé d'électrolyse consiste à décomposer la molécule d'eau (H2O) en oxygène et hydrogène grâce à de l'électricité renouvelable. Cette méthode ne génère aucune émission directe de CO2. Mais, la production de cet hydrogène est plus coûteux que les méthodes conventionnelles.
Le défi est de réduire ces coûts pour atteindre la compétitivité, en s'appuyant sur des économies d'échelle et les progrès technologiques. Des investissements importants en R&D visent à améliorer l'efficacité des électrolyseurs et à en diminuer le coût.
Applications de l'hydrogène dans la décarbonation industrielle
L'hydrogène a la possibilité de décarboner des secteurs industriels fortement émetteurs de CO2. Il permet de remplacer les combustibles fossiles dans certains procédés énergivores.
Sidérurgie : le procédé de réduction directe du fer DRI
La sidérurgie est l'un des secteurs les plus émetteurs de CO2, responsable d'environ 7 % des émissions mondiales. L'hydrogène permet de décarboner la production d'acier grâce au procédé de réduction directe du fer (DRI). Ainsi, l'hydrogène remplace le charbon comme agent réducteur pour transformer le minerai de fer, en fer métallique. Plusieurs aciéristes européens expérimentent déjà cette technologie DRI à l'hydrogène. Elle pourrait réduire jusqu'à 95 % les émissions de CO2 de la production d'acier.
Un des principaux défis consiste à accroître la production d'hydrogène vert à grande échelle afin de soutenir ces procédés.
Industrie chimique : production d'ammoniac et de méthanol
L'industrie chimique utilise d'importantes quantités d'hydrogène, notamment pour produire de l'ammoniac et du méthanol. Ces deux composés servent de base à de nombreux produits comme les engrais ou les plastiques. Actuellement, l'hydrogène utilisé est principalement d'origine fossile.
L'hydrogène vert permettrait de décarboner, de façon importante, ces productions chimiques. Le potentiel de réduction des émissions est immense, sachant que l'ammoniac à lui seul contribue à hauteur de 1,8 % des émissions mondiales de CO2.
Raffinage pétrolier : hydrodésulfuration et hydrocraquage
Grande consommatrice d'hydrogène, les raffineries utilisent des procédés d'hydrodésulfuration pour éliminer le soufre des carburants, et d'hydrocraquage pour convertir les fractions lourdes du pétrole en produits plus légers.
L'hydrogène vert, dans ces procédés, permettrait de réduire énormément l'empreinte carbone du raffinage. À terme, cela pourrait contribuer à décarboner la production de carburants liquides, encore utilisés dans certains secteurs.
Cimenteries : substitution partielle des combustibles fossiles
L'industrie cimentière est responsable d'environ 8 % des émissions mondiales de CO2. L'hydrogène a le potentiel de participer à la décarbonation en remplaçant partiellement les combustibles fossiles nécessaires au chauffage des fours à très haute température. Des expérimentations d'utilisation d'hydrogène vert dans une cimenterie sont en cours,en Allemagne. Les réductions des émissions sont estimées entre 20 et 30 % pour cette application.
L'hydrogène dans le secteur des transports
L'hydrogène ouvre des opportunités intéressantes pour décarboner certains segments du transport, en particulier ceux exigeant une grande autonomie ou des temps de recharge rapides.
Véhicules à pile à combustible
Les véhicules à pile à combustible (FCEV) utilisent l'hydrogène pour produire de l'électricité à bord, n'émettant que de la vapeur d'eau. Ils ont une autonomie comparable aux véhicules thermiques et un temps de recharge de quelques minutes. Plusieurs constructeurs commercialisent déjà des modèles FCEV. Même si les ventes restent limitées, ces véhicules pourraient trouver leur place pour des utilisations nécessitant une autonomie importante.
Transport lourd : camions et bus à hydrogène
Le transport routier lourd est un domaine d'application particulièrement prometteur pour l'hydrogène. Les piles à combustible présentent une alternative intéressante aux batteries pour les poids lourds, avec une meilleure autonomie et un temps de recharge plus rapide. Des constructeurs développent des camions à hydrogène, tandis que diverses villes testent actuellement des bus fonctionnant avec cette énergie.
Aviation : projets ZEROe d'airbus et HyFlyer de ZeroAvia
L'aviation s'intéresse également au potentiel de l'hydrogène pour réduire son empreinte carbone. Airbus a dévoilé son projet ZEROe visant à développer le premier avion commercial zéro émission à l'hydrogène d'ici 2035. En parallèle, des start-ups telles que ZeroAvia développent des procédés innovants pour l'aviation régionale. Leur projet HyFlyer a permis de réaliser le premier vol commercial d'un avion à hydrogène en 2020.
Maritime : ferry hydrogène Hydra et porte-conteneurs Energy Observer
L'hydrogène propose des perspectives intéressantes pour décarboner les transports lourds et longue distance, complémentaires à l'électrification directe. Le secteur maritime s'intéresse à l'hydrogène pour décarboner certaines liaisons. En Norvège, le ferry Hydra propulsé à l'hydrogène assure déjà une liaison régulière. A plus grande échelle, le projet de porte-conteneurs Energy Observer 2 vise à démontrer la faisabilité d'un navire de commerce zéro émission à l'hydrogène.
Stockage et distribution de l'hydrogène
La mise en place d'une économie de l'hydrogène implique de surmonter d'importants défis liés au stockage et à la distribution.
Technologies de stockage : compression, liquéfaction, hydrures métalliques
Le stockage de l'hydrogène peut se faire sous différentes formes. La compression à haute pression (350-700 bars) est la méthode la plus courante mais énergivore. la liquéfaction à très basse température (-253°C) permet une plus grande densité mais reste très énergivore. Quant aux hydrures métalliques, leur stockage, bien que prometteur est encore en cours de développement.
Chaque méthode présente des avantages et des inconvénients en termes de densité énergétique, de coût ou de sécurité. Des travaux de recherche sont en cours pour améliorer ces technologies et développer de nouvelles alternatives, telles que le stockage dans des liquid organic hydrogen carriers (LOHC).
Infrastructure de ravitaillement
Le déploiement d'un réseau de stations-service hydrogène est nécessaire pour le développement de la mobilité hydrogène. L'enjeu est de densifier ce réseau pour atteindre un certain seuil et rassurer les utilisateurs sur la disponibilité du carburant. Des standards communs sont également nécessaires pour assurer l'interopérabilité des équipements.
Transport par pipeline : projet European Hydrogen Backbone
Pour distribuer l'hydrogène à grande échelle, le transport par pipeline apparaît comme la méthode la plus efficace. Le projet European Hydrogen Backbone vise à développer un réseau européen de 39 900 km de canalisations hydrogène d'ici 2040, en réutilisant en partie les infrastructures gazières existantes. Ce réseau permettrait de connecter les zones de production aux grands bassins de consommation industriels. Il faciliterait également les échanges transfrontaliers d'hydrogène, contribuant à l'émergence d'un véritable marché européen.
Défis technico-économiques de la filière hydrogène
Malgré son potentiel, le développement à grande échelle de l'hydrogène rencontre plusieurs défis techniques et économiques.
Réduction des coûts de l'électrolyse : objectif 2$/kg en 2030
Le coût de production de l'hydrogène vert reste aujourd'hui supérieur aux énergies fossiles. L'enjeu est de réduire drastiquement ce coût pour atteindre la compétitivité. L'objectif est d'atteindre un coût de 2$/kg en 2030, contre 3-8$/kg actuellement selon les régions. Pour y parvenir, différents moyens sont mobilisés : l'augmentation de la taille des électrolyseurs pour bénéficier d'économies d'échelle, l'amélioration des rendements grâce aux progrès technologiques, la baisse du coût de l'électricité renouvelable ainsi que le perfectionnement des opérations de logistique.
Amélioration du rendement des piles à combustible
Les piles à combustible, capables de transformer l'hydrogène en électricité, font l'objet d'importants efforts de R&D visant à améliorer leurs performances. L'objectif est d'accroître leur rendement, actuellement estimé à environ 60 %, en réduisant leurs coûts et en renforçant leur durabilité. Des progrès sont notamment attendus sur les catalyseurs, pour réduire ou éliminer l'utilisation de métaux précieux comme le platine. L'amélioration des membranes et des plaques bipolaires est également un axe de recherche important.
Sécurité et normalisation : codes ISO/TC 197
En ce qui concerne la sécurité, des normes et standards sont nécessaires pour encadrer la production, le stockage, le transport et l'utilisation de l'hydrogène. Le comité technique ISO/TC 197 travaille à l'élaboration de ces standards internationaux. Ils couvrent notamment les spécifications des équipements (électrolyseurs, piles à combustible, etc.), les protocoles de sécurité pour la manipulation de l'hydrogène ainsi que les méthodes de mesure et de contrôle qualité.
Politiques et stratégies nationales pour l'hydrogène
En présence d'enjeux climatiques, de nombreux pays ont mis en place des stratégies ambitieuses pour développer leur filière hydrogène.
Stratégie européenne : objectif 40 GW d'électrolyseurs en 2030
L'Union Européenne a dévoilé en 2020 sa stratégie pour l'hydrogène, avec des objectifs ambitieux comme 40 GW d'électrolyseurs d'ici 2030 ainsi qu'une production annuelle de 10 millions de tonnes d'hydrogène renouvelable. Cette stratégie s'accompagne d'importants investissements, avec 430 milliards d'euros prévus d'ici 2030. L'objectif est de positionner l'Europe comme leader mondial de l'hydrogène vert et de créer jusqu'à 1 million d'emplois dans la filière.
Plan hydrogène français : 7 milliards d'euros d'investissements
La France a dévoilé en 2020 sa stratégie nationale pour l'hydrogène décarboné. Un plan d'investissement de 7 milliards d'euros d'ici 2030 a pour objectifs d'installer 6,5 GW d'électrolyseurs, 20 à 40% d'hydrogène décarboné dans la consommation totale d'hydrogène industriel ainsi que le développement de la mobilité hydrogène, notamment pour les poids lourds. Le plan prévoit également la création de 50 000 à 150 000 emplois directs et indirects dans la filière.
Initiatives au japon : société de l'hydrogène et JOJ 2020
Le Japon fait figure de pionnier dans le développement de l'hydrogène, avec une vision ambitieuse de "société de l'hydrogène" pour 2030. Sa stratégie nationale vise à déployer 800 000 véhicules à pile à combustible, à installer 900 stations de ravitaillement hydrogène et de réduire le coût de l'hydrogène à 3$/kg. Les Jeux Olympiques de Tokyo 2020 ont illustré cette ambition en mettant en avant un village olympique partiellement alimenté par de l'hydrogène, ainsi qu'une flotte de véhicules fonctionnant grâce à des piles à combustible.
Ces initiatives gouvernementales stimulent l'innovation, soutiennent les investissements et créent un cadre réglementaire favorable au développement de l'hydrogène. Elles participent activement à la transition vers une économie à faible émission de carbone, où l'hydrogène occupera une place centrale aux côtés d'autres méthodes telles que l'électrification directe et les énergies renouvelables.
Pour permettre le déploiement massif de l'hydrogène vert, une collaboration internationale sera indispensable. Cela inclut l'harmonisation des normes, la mutualisation des efforts en matière de R&D, ainsi que le développement d'infrastructures transfrontalières. Voici l'enjeu des années à venir pour faire de l'hydrogène un pilier de la transition énergétique mondiale.