Qu’est-ce que l’hydrogène vert ? Cette question requiert une réponse pour réussir à comprendre les enjeux de production de cet hydrogène vert. L’hydrogène fait partie des espoirs de transition énergétique en tant que combustible non fossile. Une solution élégante permettant de miser sur une énergie propre et disponible en très grande quantité ne rejetant que de l’eau pure. Mais nous verrons qu’un tel énoncé n’est pas une réalité à grande échelle.
Au-delà des problèmes de développement de l’hydrogène vert, nous verrons que son utilisation nécessite des étapes communes à toute énergie (transport et stockage) et que ce sont autant de défis à pouvoir relever. Pour bien comprendre les tenants et aboutissants de ces problématiques, nous verrons comment opèrent les changements d’état (à l’échelle d’une molécule) ainsi que ce qu’ils imposent comme consommation d’énergie.
Nous pourrons alors saisir toute l’importance de pouvoir stocker puis transporter de l’hydrogène vert sur l’ensemble d’un territoire comme la France. Car ces étapes (indispensables à la réussite de la transition énergétique du pays) impactent le rendement final de l’énergie de type hydrogène vert dans des quantités non négligeables. Découvrons tout cela ensemble.
L’hydrogène vert, un espoir déjà évoqué par Jules Verne en 1875
En 1875 déjà, dans son livre « l’île mystérieuse », Jules Verne écrit que : « L’eau sera employée un jour comme combustible… l’hydrogène et l’oxygène qui la constituent fourniront une source d’énergie inépuisable… ». Toutefois, dans un souci de légitimité rappelons que l’hydrogène fut découvert par Henry Cavendish en 1766. La connaissance de l’hydrogène ainsi que la supputation de ses usages futurs constituaient déjà à l’époque une base de réflexion qui devait bientôt disparaître derrière la suprématie des énergies fossiles (charbon, gaz et pétrole) qui étaient :
- disponibles et aisément accessibles ;
- puissantes (environ 10 kWh contenus dans 1 litre d’essence) ;
- facilement transportables et stockables ;
- etc.
Les énergies fossiles ont donc connu le succès que l’on sait jusqu’à aujourd’hui. Parallèlement, les effets néfastes sont connus également et dramatiques pour l’avenir de l’environnement et du vivant sur terre. Le carbone (sous forme de CO2) et les autres gaz à effet de serre rejetés dans l’atmosphère élèvent la température moyenne à des niveaux jamais atteints en un temps si court (deux siècles environ depuis le début de la révolution industrielle en 1760).
Hydrogène décarboné: une solution prometteuse pour les collectivités
L’hydrogène décarboné se présente comme une solution prometteuse pour l’industrie mais aussi pour les collectivités. C’est tout l’objet des pages de ce livre blanc.
C’est alors en toute logique d’une vision d’avenir que les pays des conférences des parties (COP) ont décidé de réagir et d’approfondir les connaissances sur d’autres énergies telles que l’hydrogène. L’hydrogène n’est donc pas nouveau et l’on sait comment le produire. Mais les trois grands modes de production d’hydrogène à l’échelle de l’industrie sont aux deux tiers générateurs de CO2. Le vaporeformage d’un gaz carboné ainsi que la gazéification du charbon sont des processus à forte émission de CO2 (approximativement 11 tonnes de CO2 pour 1 tonne d’hydrogène récolté).
Seule l’électrolyse de l’eau permet de créer de l’hydrogène proprement. Encore faut-il que l’électricité requise pour cette électrolyse soit issue des énergies renouvelables (éolien, photovoltaïque, hydro-électrique). En effet, si l’hydrogène est créé par électrolyse de l’eau et en utilisant une électricité renouvelable, alors c’est de l’hydrogène vert. Mais ce processus est encore coûteux (approximativement 5 à 6 €/kg produit contre 1,5 €/kg dans le cas du vaporeformage).
Hydrogène vert : production, transport et stockage à l’échelle moléculaire
Comme nous allons le voir, l’hydrogène vert n’est pas si compliqué à produire. Cependant, le cahier des charges qui doit être respecté pour créer cet hydrogène vert impose un coût conséquent qui dépend directement du développement de l’électricité issue d’une énergie renouvelable. Une fois ce challenge remporté, les problématiques de transport et de stockage restent d’actualité.
La production de l’hydrogène vert
Nous l’avons vu : produire de l’hydrogène vert consiste à n’utiliser que la technique de l’électrolyse de l’eau (pour ne rejeter aucun carbone) associée à une électricité renouvelable. Ainsi, dans l’ensemble du processus de production, aucun carbone n’est émis. Pour explication, l’électrolyse d’une molécule d’eau (H2O) permet de briser les liaisons atomiques pour isoler deux atomes d’hydrogène (H) et un atome d’oxygène (O).
Les atomes d’hydrogène se combinent par pair pour donner le dihydrogène et ceux d’oxygène également pour donner le dioxygène. L’hydrogène est alors récupéré sous forme gazeuse dans un contenant prévu à cet effet.
Le stockage et le transport de l’hydrogène vert
Il faut bien retenir que l’hydrogène est l’élément chimique le plus léger existant dans l’univers (0,090 kH/m3) et qu’il est la plus petite molécule gazeuse. Ainsi, il est difficile de réussir à le retenir. Par conséquent, les problématiques de transport et de stockage sont évidentes.
Une fois l’hydrogène « capturé » après électrolyse, il faut réussir à changer son état si l’on souhaite le stocker ou le transporter. Deux solutions sont possibles :
- On comprime l’hydrogène à forte pression (700 bars) afin de le réduire à une masse volumique de 42 kg/m3. Ainsi, 5 kilos d’hydrogène peuvent être stockés dans un réservoir de 125 litres.
- On procède à la liquéfaction de l’hydrogène en réduisant sa température à – 253 °C. Une fois liquide, la masse volumique de l’hydrogène est de 71 kg/m3 et ainsi, 5 kilos d’hydrogène peuvent être stockés dans un réservoir de 75 litres.
Que l’hydrogène soit vert, gris, bleu ou jaune, les problématiques de transport et de stockage sont les mêmes, car la molécule d’hydrogène est la même. Seule change la méthode de production de l’hydrogène.
Les solutions pour optimiser le cycle industriel de l’hydrogène vert
Comme nous l’avons vu, des solutions de transport existent. Mais que ce soit pour le transport ou pour le stockage, l’état de l’hydrogène est un problème dont il faut prendre la mesure afin d’optimiser l’ensemble du flux entre le lieu de production et le lieu de consommation.
La production « in situ »
Grâce à l’électrolyse de l’eau, il est possible d’envisager d’implanter une solution de production d’hydrogène n’importe où (ou presque) à partir du moment que l’on peut trouver à disposition :
- une source d’eau (dont l’exploitation partielle ne nuira pas à l’écosystème présent) ;
- une source d’énergie renouvelable (qui se trouve de plus en plus dans les paysages des pays industrialisés).
De fait, il est envisageable de monter un site de production d’hydrogène directement à proximité d’un consommateur qui justifierait l’implantation (même provisoire) d’un tel site.
Le transport courte distance
Le transport de gaz liquéfié n’est pas une nouveauté. L’azote, l’oxygène, le GPL, etc., sont déjà des gaz transportés sous état liquide ou pressurisé. L’hydrogène est néanmoins tellement léger et petit que la technologie de pointe s’applique également aux contenants qui doivent assurer une étanchéité à toute épreuve.
Pour des distances inférieures à 400 km, des remorques dites « à tube » peuvent assurer le transport de 600 kg d’hydrogène pressurisé entre 120 et 250 bars pour un coût d’environ 1 € ou 1,50 € par kg transporté. Pour de plus grandes distances et quantités (jusqu’à 4 000 kg d’hydrogène liquéfié), d’autres remorques existent permettant de diminuer le coût à environ 0,5 € par kg d’hydrogène transporté.
Le transport longue distance
Un réseau de type « pipeline » existe sur plus de 4 500 km à travers le monde (dont 1 600 km en Europe). Ce type de pipeline est spécialement conçu pour transporter l’hydrogène sur de grandes distances. Le projet « European Backbone » trace les grandes lignes d’un projet audacieux de pipelines à travers l’Europe. D’autres pays comme le Japon étudient la possibilité d’importer de l’hydrogène par bateau spécialement conçu (comme les méthaniers actuels).
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