Qu’est-ce que l’hydrogène vert ? C’est une question qui revient souvent auprès de ceux qui cherchent à définir la nature exacte de cette énergie. Nous allons rappeler ce qu’est l’hydrogène, afin de circonscrire les réflexions liées aux différents modes de production de cette énergie.
Ensuite, nous verrons que le suffixe « vert » tend vers un rapport vertueux lié au mode de production de cet hydrogène. L’écologie s’est depuis longtemps déclinée sous la couleur verte et c’est avec une certaine logique que son utilisation s’est transposée à la production d’hydrogène.=Nous verrons que la transition énergétique vers des horizons cumulant performance, développement et usages écoresponsables est pavée de difficultés. Les technologies d’énergies renouvelables conjuguées à une chimie sans carbone peuvent apporter une réponse aux futurs enjeux de nos sociétés.
État des lieux des énergies
En France comme en Europe, la souveraineté énergétique n’est pas suffisamment assurée par le milieu naturel (énergies fossiles de type charbon, pétrole et gaz). Par exemple, la France produit seulement 1 % du pétrole qu’elle consomme et 2 % du gaz qu’elle consomme.
En presque 60 ans, les énergies fossiles ont bâti la société occidentale telle que nous la connaissons actuellement :
- PIB par habitant en France passant de 12 013 € en 1960 à 38 590 € en 2022 (en valeur euros de 2014) ;
- part des énergies dans le budget des ménages de 8,3 % en 2020 (relativement stable depuis 20 ans) ;
- mobilité passant d’une moyenne de 5 km à 35 km par jour et par habitant entre 1900 et 2022 ;
- densification des populations urbaines (passant de 30 % de la population en 1960 à 55 % en 2014) ;
- temps de travail annuel moyen avoisinant les 2 000 heures en 1960, passé à près de 1 400 heures en 2020 ;
- avènement de la classe moyenne lors des trente glorieuses : forte progression du salaire moyen et du pouvoir d’achat ;
- etc.
L’énergie fossile bon marché a été le ciment structurel de l’essor de nos sociétés occidentales ainsi que du niveau de vie et de production des pays industrialisés. Mais les premiers chocs pétroliers de 1973 et 1979 sont venus perturber cette croissance que l’on aurait pu croire infinie.
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.
Parallèlement (et sous l’impulsion politique lors de la présidence du Général de Gaulle), la France a souhaité se démarquer en investissant sur sa propre autonomie énergétique. Le grand projet du nucléaire civil prend forme dès 1958 avec le premier site de Marcoule. Depuis, ce ne sont pas moins de 56 réacteurs nucléaires qui ont assuré la production d’électricité en France.
Désormais, face à la raréfaction des énergies fossiles (pic de pétrole atteint en 2008) et des enjeux environnementaux à forte pression (rejet des gaz à effet de serre), la stratégie énergétique de l’ensemble des nations industrialisées doit inclure ces lourdes menaces. La filière de l’industrie de l’énergie doit se réinventer et les moyens (recherche et développement) sont orientés pour que des technologies de production d’énergie décarbonée voient le jour à un niveau industriel.
Parmi elles, la production de l’hydrogène mobilise les espoirs et permet de réfléchir à une transition vers une énergie qui peut être 100 % verte et écoresponsable.
L’hydrogène comme réponse possible
L’hydrogène (« Dihydrogène » pour être scientifiquement exact) est un gaz inodore et invisible. C’est l’élément chimique le plus léger et le plus abondant de la planète. Sa masse énergétique (120 MJ/kg) est deux fois supérieure au gaz propane ou méthane et trois fois supérieure à l’essence. Sa combustion avec du dioxygène ne produit aucun gaz à effet de serre et ne rejette donc aucun CO2. Il se recombine simplement pour donner du H2O, soit de l’eau.
Avec une telle description, on peut légitimement s’interroger sur le constat de la faible utilisation qui est faite de l’hydrogène en tant qu’énergie, que ce soit en France, en Europe ou dans le monde entier. Pourquoi investir des sommes considérables dans la prospection puis l’exploitation des gisements d’énergies fossiles (sans parler de la pollution engendrée), lorsqu’une énergie propre, efficace et disponible en quantité nous tend les bras ?
La réponse à de telles questions réside dans le fait que l’hydrogène, bien que très répandu, est le plus souvent chimiquement constitutif d’un ensemble de molécules. Par exemple, sur terre, on retrouve l’hydrogène conjugué à :
- de l’oxygène (l’eau sous formule chimique H2O) ;
- une matière carbonée de type gaz (méthane CH4 par exemple) ou solide de type charbon de bois (récolte de l’hydrogène par gazéification à haute température, entre 1 200 °C et 1 500 °C) ;
- l’azote (ammoniac NH3).
C’est donc une difficulté majeure de parvenir à isoler chimiquement l’hydrogène. Contrairement à ce qui est parfois véhiculé, il existe de l’hydrogène naturellement isolé (gisement de Bourakébougou au Mali par exemple). Mais ces gisements sont très rares et difficilement exploitables. Par ailleurs, l’hydrogène est extrêmement dur à identifier (contrairement à un gisement de pétrole). Par exemple, en 2004, les majors pétrolières ont investi 70 milliards de dollars de recherche pour extraire 17 milliards de barils. En 2014, elles ont investi 300 milliards de dollars pour extraire 14 milliards de barils. Au-delà du déclin flagrant de la ressource en pétrole, on imagine aisément les difficultés pour trouver une ressource encore plus rare (hydrogène à son état chimiquement isolé).
Par conséquent, l’hydrogène doit être scindé des autres molécules auxquelles il est rattaché. C’est donc là que réside toute la difficulté, car isoler chimiquement un élément est une action énergivore et qui crée un produit de transformation, parfois sous la forme de gaz à effet de serre (la gazéification du charbon et le vaporeformage du méthane rejettent des émissions de CO2).
Un hydrogène peut en cacher un autre
L’hydrogène vert (il existe plusieurs dénominations colorées, comme hydrogène vert, gris, bleu, jaune) est une appellation qui fait référence autant à la fourniture de l’énergie nécessaire qu’au procédé utilisé. C’est la combinaison de ces deux facteurs qui permet de définir en quoi l’hydrogène vert est différent de l’hydrogène.
Le procédé utilisé pour la production de l’hydrogène vert
Parmi les trois méthodes pour la production d’hydrogène, seule celle de l’électrolyse de l’eau peut être utilisée pour produire de l’hydrogène vert. En effet, l’électrolyse de l’eau possède cet immense avantage de ne créer aucune émission de gaz à effet de serre. L’enjeu de la diminution des rejets de gaz à effet de serre est l’objectif principal des COP (objectif à -55 % pour 2030 lors de la COP 27 de 2022). Le climat ainsi que les grands objectifs de santé mondiale en dépendent.
Il serait donc contreproductif de produire des gaz à effet de serre (CO2, méthane CH4 ou protoxyde d’azote N2O) en cherchant à créer un combustible de type hydrogène, afin de le suppléer à une énergie fossile qui rejette également des gaz à effet de serre… L’électrolyse de l’eau permet d’atteindre ce premier objectif.
L’énergie indispensable au procédé
Pour produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau (H2O), il faut de l’électricité dans le but de « casser » les liaisons atomiques entre l’hydrogène (H2) et l’oxygène (O). Pour produire un kilo d’hydrogène, on sait qu’il faut consommer environ 50 kWh à 60 kWh d’énergie électrique. Si cette électricité provient des centrales à charbon par exemple, alors le rejet de CO2 se fera par cette centrale et le gain en termes de rejet de gaz à effet de serre par rapport à l’hydrogène produit sera nul. Il faut donc que cette électricité provienne des méthodes de production d’énergie renouvelables et non génératrices de gaz à effet de serre (électricité éolienne, électricité photovoltaïque, énergie hydro-électrique, etc.).
Pour conclure, l’hydrogène vert fait alors référence à l’hydrogène produit en respectant deux critères : la méthode de production par électrolyse qui garantit le non-rejet de CO2 par exemple lors de l’opération de séparation des molécules, ainsi qu’une source d’énergie renouvelable non génératrice de gaz à effet de serre.
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