Le Texas, célèbre pour ses puits de pétrole, pourrait donner l’exemple de la nouvelle révolution énergétique en préparation. Oublions l’or noir, place à l’hydrogène vert ! Un grand projet, baptisé « Hydrogen City », est en cours de développement dans le sud de l’État, plus précisément sur le dôme salin de Piedras Pintas. L’objectif ? Produire 280 000 tonnes d’hydrogène vert par an,
Ce projet, fruit d’un partenariat entre Green Hydrogen International (GHI) et Inpex Corporation, vise à répondre à la demande croissante en carburants propres. L’hydrogène vert, produit à partir d’énergies renouvelables comme le solaire et l’éolien, est considéré comme une alternative propre aux combustibles fossiles. Il peut être utilisé dans de nombreux secteurs, du transport à la production d’électricité, en passant par l’industrie.
L’une des particularités d’Hydrogen City réside dans son système de stockage. Le dôme salin de Piedras Pintas, une formation géologique souterraine, pourrait stocker jusqu’à 6 TWh d’énergie, l’équivalent de la consommation annuelle de plusieurs millions de foyers. Cette solution innovante permettrait de pallier l’intermittence des énergies renouvelables et d’assurer une production d’hydrogène stable et continue.
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Hydrogène City ne sera que l’un des nombreux exemple de production et d’utilisation de l’hydrogène dans le monde actuel. Il faut rappeler à ce sujet un certain nombre de points encore mal perçus par les opinions publiques
Qu’est-ce que l’hydrogène et où le trouve-t-on?
Comme l’électricité, le dihydrogène H2 (hydrogène) est principalement
un vecteur énergétique et non une énergie en tant que telle, car il est produit au moyen d’une réaction chimique à partir d’une ressource primaire.
Actuellement, pour des raisons économiques, l’hydrogène est issu
à 95 % de la transformation d’énergies fossiles, dont pour près de la moitié à partir du gaz naturel.
Où se trouve l’hydrogène ?
Les ressources principales permettant aujourd’hui de produire le dihydrogène H2 ou hydrogène, sont l’eau et les hydrocarbures (le charbon, le pétrole ou le gaz).
En effet, chaque molécule d’eau est le fruit de la combinaison entre un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène, suivant la formule H2O.
Les hydrocarbures sont issus de la combinaison d’atomes de carbone et d’hydrogène. C’est par exemple le cas du méthane, constituant principal du gaz naturel dont la formule est CH4, l’une des combinaisons les plus simples pour les hydrocarbures.
L’hydrogène existe aussi à l’état naturel. Les premières sources naturelles d’hydrogène ont été découvertes au fond des mers dans les années 70 et plus récemment à terre. Si les connaissances concernant l’hydrogène ont fortement progressé ces dernières années, il reste encore à évaluer le potentiel que représente cette ressource pour la transition énergétique : quels volumes existants ? Quelles réserves éventuelles ? Quelles méthodes de production ? De même, la compréhension des mécanismes de formation, de migration et d’accumulation de l’hydrogène dans le sous-sol , qui permettraient de mieux organiser l’exploration, suscitent encore un certain nombre de questionnements. Une production à l’échelle industrielle à l’horizon 2035/2040 nécessite de financer plus lourdement la R&D sur ce sujet.
Techniques de production
– le reformage du gaz naturel à la vapeur d’eau est la technique la plus répandue. Il s’agit de faire réagir du méthane avec de l’eau pour obtenir un mélange contenant de l’hydrogène et du CO2. Le CO2 émis par ce procédé pourrait éventuellement être capté et stocké pour produire un hydrogène décarboné. En lieu et place du gaz naturel, l’utilisation du biométhane (méthane issu de la fermentation de la biomasse) constitue aussi une solution pour produire un hydrogène décarboné ;
– l’hydrogène peut aussi être produit à partir d’eau et d’électricité, c’est l’électrolyse de l’eau. L’électrolyseur sépare une molécule d’eau en hydrogène et en oxygène. Cette voie est encore peu répandue car nettement plus coûteuse (2 à 3 fois plus chère que le reformage du gaz naturel) et réservée aujourd’hui à des usages spécifiques, comme l’électronique, qui requièrent un niveau élevé de pureté ;
-la gazéification permet de produire, par combustion, un mélange de CO et d’H2 à partir de charbon (solution qui émet beaucoup de CO2) ou de biomasse.
Aujourd’hui, 95 % de l’hydrogène est produit à partir d’hydrocarbures (pétrole, gaz naturel et charbon), solution la moins coûteuse. Cependant, ce processus est, sauf pour la pyrolyse, émetteur de CO2, gaz à effet de serre. Pour produire de l’hydrogène faiblement carboné, trois options s’offrent aux industriels : capter le CO2 émis lors de la production par transformation des énergies fossiles, puis le transporter pour le stocker géologiquement, pyrolyser du méthane et séparer le carbone sous forme solide, enfin, le produire via l’électrolyse de l’eau, l’électrolyse étant opérée à partir d’une électricité peu carbonée fournie par de l’énergie nucléaire, éolienne ou solaire. L’enjeu reste toutefois pour cette dernière option, le coût de ce mode de production, plus onéreux à ce jour que celui du reformage du gaz naturel , même en considérant le surcoût lié au captage du CO2.
Hydrogène vert, gris, bleu et jaune : de quoi parle-t-on ?
– L’hydrogène vert est fabriqué par électrolyse de l’eau à partir d’électricité provenant uniquement d’énergie renouvelable ;
– L’hydrogène gris est fabriqué par procédés thermochimiques avec comme matières premières des sources fossiles (charbon ou gaz naturel) ;
– L’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 ;
– L’hydrogène jaune, plus spécifique à la France, est fabriqué par électrolyse comme l’hydrogène vert mais l’électricité provient essentiellement de l’énergie nucléaire. Il s’agira d’une solution idéale pour la France surtout quand elle pourra accéder au nucléaire de fusion (ITER) en complément du nucléaire de fission
L’Ademe https://www.ademe.fr/en/frontpage/ a récemment suggéré de changer la terminologie. L’hydrogène qui était jusqu’ici appelé « vert » est désormais appelé « renouvelable », l’hydrogène « gris » devient « fossile », et enfin, les hydrogènes « bleu » et « jaune » sont regroupés sous l’appellation « bas-carbone ».
Une fois fabriqué, cet hydrogène doit être stocké, puis transporté jusqu’à son lieu de distribution et d’utilisation.
Comment est stocké l’hydrogène ?
Le dihydrogène possède une très grande densité massique d’énergie (1 kg d’hydrogène contient autant d’énergie qu’environ 3 kg de pétrole) mais une très faible densité volumique. Il faut le transformer pour pouvoir le stocker dans un volume utilisable.
– en le comprimant à 700 bar : 7 litres d’hydrogène peuvent contenir ainsi autant d’énergie qu’1 litre d’essence ;
– en le liquéfiant pour le comprimer davantage à une température de – 253 °C : 4 litres d’hydrogène liquide équivalent alors à 1 litre d’essence.
Densifier l’hydrogène permet d’opérer à des pressions plus faibles mais réclame plus d’énergie, ce qui le rend plus coûteux.
Les modalités de stockage sont multiples (batteries, stockage massif en cavités salines) selon l’usage que l’on veut en faire.
Comment se transporte l’hydrogène ?
L’hydrogène est généralement transporté sous forme comprimée via un réseau de pipelines relativement étendu, avec un total de plus de 4 500 km dans le monde, dont 1 600 km en Europe et 2 500 km aux États-Unis.
Des pays comme le Japon envisagent également d’importer de l’hydrogène, qui serait alors transporté par bateau depuis l’Australie par exemple.
Comment s’utilise l’hydrogène aujourd’hui ?
Actuellement, l’hydrogène a deux utilisations principales : d’une part, il sert de matière de base pour la production d’ammoniac (engrais) et de méthanol ; d’autre part, il est utilisé comme réactif dans les procédés de raffinage des bruts en produits pétroliers, carburants et biocarburants.
Les usages qu’il est possible d’en faire sont néanmoins nombreux, et l’hydrogène est prometteur pour décarboner un certain nombre de secteurs et accompagner la transition énergétique.
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L’HYDROGÈNE DANS LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
Récupérer de l’énergie à partir du dihydrogène renouvelable ou bas-carbone préalablement stocké se fait de deux façons :
- soit sous forme de chaleur via sa combustion directe avec le dioxygène ;
- soit sous forme d’électricité via une pile à combustible (PaC).
Dans les deux cas la réaction globale ne produit que de l’eau et l’énergie produite peut être diversement valorisée. L’hydrogène se voit assigner trois objectifs essentiels pour réussir la transition énergétique.
L’hydrogène pour décarboner les transports
En France le transport émet 27 % des émissions de GES globales, ce qui en fait le premier secteur émetteur. Les enjeux sur la mobilité sont donc considérables, car la solution hydrogène appliquée à la mobilité « propre » en utilisant la combustion directe ou la pile à combustible, permet de réduire considérablement les émissions.
Un véhicule diesel produit entre 40 et 45 tonnes de CO2 sur l’ensemble de sa durée de vie, un véhicule hydrogène produit par reformage un peu plus de 35 tonnes, et un véhicule hydrogène produit par électrolyse renouvelable moins de 15 tonnes.
Les voitures alimentées en hydrogène ont au mieux un impact carbone 74 % moindre que les véhicules thermiques traditionnels (Source : Carnot ARTS).
La voiture à hydrogène
Les caractéristiques physico-chimiques de l’hydrogène en font un bon candidat pour une utilisation comme carburant dans un moteur à allumage commandé de type « essence ». Le principal avantage réside dans le bilan environnemental
Combinée à l’oxygène, la combustion de l’hydrogène produit essentiellement de l’eau et de la chaleur et ne rejette que des oxydes d’azote (NOx). Cependant, cette solution nécessite des adaptations spécifiques pour obtenir un très haut rendement et de très faibles émissions de NOx. Il faut notamment exploiter différentes propriétés de l’hydrogène comme sa capacité à brûler rapidement en mélange très pauvre.
L’utilisation de l’hydrogène dans un moteur à combustion interne peut bénéficier des dernières avancées du moteur thermique et du couplage avec une chaîne de traction hybride. Ainsi, en se basant sur des technologies plus robustes et matures que celles utilisées actuellement pour les piles à combustible, il serait possible d’atteindre un rendement supérieur à 50 %.
Ce pourrait être une solution de transition vers la pile à combustible puisqu’elle permet de commencer la validation de toute la filière de production et de distribution de l’hydrogène en utilisant les outils industriels de production existants.
La pile à combustible dans les voitures électriques
Pour le long terme, les constructeurs automobiles s’intéressent aussi aux piles à combustible (ou Fuel Cell), comme générateurs d’électricité pour les véhicules électriques. Ceci afin de compléter les solutions de véhicules électriques à batteries, souffrant aujourd’hui de la limitation en autonomie et du temps de recharge de ces batteries.
L’hydrogène sert alors à alimenter une pile à combustible — laquelle produit de l’électricité — pour permettre le fonctionnement du moteur électrique qui fait avancer le véhicule. L’hydrogène est un des meilleurs vecteurs d’énergie pour les piles à combustible aujourd’hui en termes de performances énergétiques et d’émissions. Leur rendement est globalement supérieur à 50 % sur une large plage de fonctionnement, ce qui représente un avantage intéressant par rapport à un moteur thermique essence actuel.
Alimentée par un mélange d’air et d’hydrogène, la pile convertit l’énergie chimique de l’hydrogène en énergie électrique suivant le principe inverse de l’électrolyse. En faisant réagir de l’hydrogène avec de l’oxygène de l’air sur les électrodes (de fines membranes recouvertes d’un catalyseur, le platine), les piles à combustible permettent de produire de l’électricité sans autre émission que de la vapeur d’eau. Le principe date de 1839 ! Il est utilisé depuis longtemps pour produire de l’électricité à bord des fusées.
Le train et l’avion à hydrogène
Le train à hydrogène . Le plan français en faveur de l’hydrogène compte parmi ses objectifs la mise en service d’un premier train à hydrogène en France en 2022. À la suite de l’Allemagne, la France fait ses premiers pas dans la mobilité ferroviaire à hydrogène, la SNCF et les Régions ayant lancé le projet TER H2 qui vise à mettre en place la toute première flotte de trains hydrogène régionaux dans plusieurs régions françaises pilotes.
https://www.groupe-sncf.com/en/innovation/decarbonization-trains/hydrogen-ter
L’avion à hydrogène ou « avion propre » et de sécurité. Dans ce type d’avion, l’hydrogène est brulé dans les turbines à gaz du moteur au niveau de chambres de combustion. Puis, grâce à une pile à combustible, l’énergie dégagée se transforme en énergie électrique qui alimente ensuite le moteur.
Au sein de l’avion, l’hydrogène peut être stockée sous forme gazeuse ou liquide à -235 degrés. Comme il dispose d’une faible densité par rapport au kérosène actuel, les structures des avions pourront être modifiées dans le futur sans difficulté. Enfin, comme l’hydrogène ne pollue pas, il s’agit d’une opportunité à saisir pour atteindre le zéro émissions d’ici 2050.
Source
Cet article est adapté de
https://www.ifpenergiesnouvelles.fr/enjeux-et-prospective/decryptages/energies-renouvelables/tout-savoir-lhydrogene#:~:text=G%C3%A9n%C3%A9ralement%2C%20il%20est%20produit%20%C3%A0,combustible%20ou%20par%20combustion%20directe.
Europe Solidaire 