Hydrogène

L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant dans l’univers. Ce simple atome (constitué d’un proton et d’un électron) pourrait répondre à une grande difficulté des énergies renouvelables : le stockage de l’énergie.

Qu’est-ce que l’hydrogène ?

L’hydrogène (H) est un gaz très léger dont la formule chimique est H2. Très inflammable, il est incolore, non toxique et non corrosif. À l’état naturel, il est combiné avec d’autres atomes. Il est trouvable dans l’eau (H2O) ou les hydrocarbures (charbon, pétrole et gaz).

Des procédés chimiques permettent de séparer l’hydrogène de ces éléments pour l’isoler. Actuellement, pour des raisons économiques, l’hydrogène est issu à 95% de la transformation d’énergies fossiles, dont près de la moitié à partir du gaz naturel.

L’hydrogène possède une très grande densité massique d’énergie (1 kilo d’hydrogène = 3 kilos de pétrole) mais une très faible densité volumique. Il faut donc le transformer pour pouvoir le stocker dans un volume utilisable.

Il est possible de le comprimer ou de le liquéfier pour le densifier, mais cela réclame de l’énergie et le rend plus coûteux.

L’hydrogène présente un intérêt comme vecteur d’énergie : il contient de l’énergie sous forme chimique et peut être stocké ou transporté, jusqu’à son lieu de distribution et d’utilisation. L’hydrogène peut ensuite être utilisé comme énergie avec une pile à combustible ou par combustion directe.

Quels sont les types d’hydrogène ?

Sur Terre, l’hydrogène n’existe pas à l’état pur. Il faut donc l’extraire à partir d’autres éléments comme l’eau ou les hydrocarbures. Il existe différentes formes d’hydrogène selon sa provenance :

• Hydrogène vert : est fabriqué par électrolyse de l’eau à partir d’électricité provenant uniquement d’énergies renouvelables
• Hydrogène gris : est fabriqué par procédés thermochimiques avec comme matières premières des sources fossiles (charbon ou gaz naturel)
• Hydrogène bleu : est fabriqué de la même manière que l’hydrogène gris, à la différence que le CO2 émis lors de la fabrication sera capté pour être réutilisé ou stocké
• Hydrogène jaune : plus spécifique à la France, est fabriqué par électrolyse comme l’hydrogène vert mais l’électricité provient essentiellement de l’énergie nucléaire

1. L’hydrogène renouvelable : propriétés de l’hydrogène vert

Pour produire de l’hydrogène vert, il faut utiliser de l’eau. Une électrolyse permet de séparer les atomes d’hydrogène de l’oxygène en injectant un courant électrique dans l’eau.

L’électricité nécessaire à sa production provient exclusivement d’énergies renouvelables comme des éoliennes ou des panneaux solaires. L’hydrogène vert est prometteur pour décarboner un certain nombre de secteurs et accompagner la transition énergétique.

Actuellement, le coût de production de l’hydrogène vert est le plus cher, environ 5€/kilo, mais ce prix devrait baisser en généralisant la production des énergies renouvelables (solaire et éolien) pour réduire leur coût de production.

2. L’hydrogène fossile : propriétés de l’hydrogène gris

95% de l’hydrogène est produit à partir d’énergies fossiles polluantes comme le pétrole, le charbon ou le gaz naturel. Cela s’explique par des raisons économiques : le coût de production de l’hydrogène gris étant seulement de 1.50€/kilo. L’hydrogène gris a deux utilisations principales :

1. Sert de matière de base pour la production d’ammoniac (engrais) et de méthanol
2. Utilisé comme réactif dans les procédés de raffinage des produits pétroliers, carburants et biocarburants

3. L’hydrogène bas carbone : propriétés de l’hydrogène bleu et jaune

L’hydrogène bleu est lui aussi produit à partir de sources fossiles par le reformage de gaz naturel notamment ou par gazéification de charbon de bois. Produire de l’hydrogène à partir de l’électrolyse coûte : 2 à 3 fois plus cher que le vaporeformage et 2 fois plus cher que le reformage avec captage du CO2.

Mais contrairement à l’hydrogène gris, il est considéré comme étant « bas-carbone », car sa production est couplée à des procédés de capture et de stockage du CO2 produit lors de sa fabrication.  

L’hydrogène jaune est produit par électrolyse comme l’hydrogène vert, mais l’électricité provient essentiellement de l’énergie nucléaire. L’électricité d’origine nucléaire a l’avantage d’être plus compétitive et de ne pas générer d’émissions de CO2.

Quelles sont les utilisations de l’hydrogène ?

L’hydrogène bas-carbone et renouvelable représente un marché à fort potentiel sur lequel la France se positionne au moyen d’une stratégie nationale forte et d’importants investissements.

Dans le cadre de la transition énergétique, la France vise à étendre l’utilisation de l’hydrogène bas-carbone et renouvelable pour pallier l’intermittence des énergies renouvelables au moyen de stockage d’électricité, d’alimenter le secteur des transports et de décarboner le secteur industriel.

1. Utilisation de l’hydrogène : stockage d’énergies renouvelables

L’hydrogène peut être utile pour le stockage d’énergies renouvelables. Le principe consiste à utiliser le surplus d’électricité produit à partir d’éoliennes ou de panneaux solaires pour alimenter un électrolyseur qui va produire de l’hydrogène à partir de l’eau.

Cet hydrogène vert peut être stocké pour être utilisé plus tard. Il servira par exemple à alimenter une pile à combustible pour produire de l’électricité. Le stockage d’énergie sous forme d’hydrogène permet ainsi de pallier l’intermittence des EnR en optimisant la capacité de production électrique.

2. Utilisation de l’hydrogène : secteur du transport et de la mobilité

En moyenne, 1 kilo d’hydrogène permet d’effectuer une centaine de kilomètres. L’hydrogène embarqué est transformé en électricité via une pile à combustible intégrée dans le véhicule, permettant ainsi de rouler avec une autonomie pouvant aller jusqu’à 600km.

Il existe aussi des concepts de camion, de trains ou d’avions à hydrogène qui ne rejettent que de la vapeur d’eau. L’hydrogène permettrait de décarboner le secteur du transport et de la mobilité, qui représente environ 30% des émissions de CO2 en France.

3. Utilisation de l’hydrogène : industrie

Certaines industries demandent beaucoup d’énergie pour fonctionner. Pour produire de l’hydrogène vert en grande quantité et pouvoir alimenter le secteur de l’industrie, des usines géantes d’électrolyseurs sont nécessaires. L’objectif est de pouvoir produire 600.000 tonnes d’hydrogène/an.

L’intérêt de l’hydrogène accessible à grande échelle est de rendre moins polluant le secteur de l’industrie, qui représente environ 20% des émissions de CO2. Des projets de grande ampleur voient le jour comme NortH2 : un vaste projet de production d’hydrogène vert en Europe.

4. Utilisation de l’hydrogène : production d’électricité et de chauffage

L’hydrogène peut permettre de produire de l’électricité et du chauffage, par exemple dans un foyer équipé d’une installation solaire. Le surplus d’électricité produite par des panneaux solaires pendant l’été peut être converti sous forme d’hydrogène puis stocké dans un réservoir.

En hiver, quand les besoins sont plus importants, cette énergie peut de nouveau être convertie en électricité pour alimenter le foyer. Avec 1 kilo d’hydrogène, il est possible d’assurer 3 jours de consommation d’électricité et de chauffage pour une famille de 4 personnes.

Quelles alternatives à l’hydrogène ?

Il existe d’autres alternatives à l’hydrogène comme les autres énergies vertes, les énergies non renouvelables ou encore l’énergie nucléaire.

L’hydrogène et les autres énergies vertes

Les énergies vertes sont alimentées par le soleil, le vent, la chaleur de la terre, les chutes d’eau, les marées, la biomasse ou encore l’uranium pour les centrales nucléaires. Ces sources d’énergie, inépuisables à l’échelle humaine, engendrent peu de déchets et d’émissions polluantes.

De plus, ces énergies sont plus résilientes en cas de crises et favorisent l’indépendance énergétique. Elles permettent de produire de l’électricité, de la chaleur, du froid, du gaz, et du biocarburant.

Énergie – Provenance	Coût de production	Durée de vie	Conséquences
Solaire – soleil	74€/MWh	20 ans	Énergie intermittente
Hydroélectrique – eau	15 à 20€/MWh	55 ans	Déboisage, dérèglement de l’équilibre écosystème
Éolienne – vent	57€/MWh (terre) et 145€/MWh (mer)	25 ans	Nuisance sonore et visuelle
Biomasse – animal, végétal	130€/MWh	–	Rejet de CO2
Géothermique – sous-sol	< 40€/MWh	60 ans	Produit plus de gaz à effet de serre

L’hydrogène et les énergies non renouvelables

Les énergies fossiles

Les énergies fossiles sont produites à partir de roches formées par la fossilisation de végétaux sous forme de pétrole, de charbon (houille) et de gaz naturel.

Ces formes d’énergies sont non renouvelables, car elles sont consommées beaucoup plus rapidement que le temps nécessaire à leur formation (plusieurs millions d’années). À terme, ces ressources vont donc s’épuiser et il sera nécessaire d’exploiter d’autres formes d’énergie.

Type d’énergie	Caractéristiques	Coût de production	Avantages	Inconvénients
Centrale nucléaire	Principe de la fission des noyaux d’uranium	50€/MWh	Coût limité, produit en grande quantité	Risque de catastrophe en cas d’accident
Centrale thermique (gaz)	Fonctionne au gaz	100€/MWh	–	Réserve non renouvelable, polluante
Centrale fioul	Utilise le fioul	43€/MWh	Dernière centrale arrêtée	Très polluante
Centrale charbon	Utilise le charbon	100€/MWh	–	Très polluante