L’hydrogène, solution miracle pour lutter contre le réchauffement climatique ?

L’hydrogène est devenu depuis quelques années l’objet de tous les fantasmes. En effet, l’hydrogène, atome pourtant connu depuis des siècles, semble soudain être devenu la solution miracle pour lutter contre le réchauffement climatique. Afin que tout le monde puisse avoir un avis éclairé sur la question, il nous semblait important de revenir sur les éléments principaux de ce débat et de donner les clés de lecture nécessaires à la compréhension des enjeux. Cet article a vocation à présenter les bases du débat et revient notamment sur la production, l’utilisation et l’usage de l’hydrogène.

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Hydrogène, de quoi parle-t-on ?

L’hydrogène (H₂) est un gaz composé de 2 atomes d’hydrogène. Si l’on veut être précis, on devrait donc parler de dihydrogène et non d’hydrogène, mais le terme hydrogène est largement utilisé pour cette source d’énergie et c’est celui qui sera employé dans cet article. 

L’hydrogène est présent partout dans l’univers, c’est d’ailleurs la molécule qui y est la plus commune et qui constitue plus de 90% des atomes. Pour autant, l’hydrogène est très peu présent sous la forme H₂ à la fois dans la croûte terrestre et dans l’atmosphère. On trouve l’hydrogène sous d’autres formes comme dans l’eau (H₂O), le méthane (CH₄) et de manière générale dans la plupart des molécules d’hydrocarbures (sous la forme C_xH_y).

L’hydrogène n’est pas une énergie mais un vecteur d’énergie, comme l’électricité. Cette nuance est importante puisqu’elle induit qu’il faut le produire pour l’utiliser. Autrement dit, on ne le trouve pas à l’état naturel, même si des recherches à ce sujet sont en cours¹. En effet, par opposition aux énergies fossiles comme le charbon, le gaz ou le pétrole, l’hydrogène n’est pas considéré comme une énergie primaire dans la mesure où il doit être produit en l’extrayant de ses composés. En d’autres termes, il faut séparer l’hydrogène des autres molécules qui le constituent et cette séparation crée une réaction qui libère une forte quantité d’énergie. Ce sont d’ailleurs les caractéristiques physiques particulières de l’hydrogène qui rendent cette source d’énergie exceptionnelle sur le plan énergétique.

En particulier : 

• 1 kilo d’hydrogène contient autant d’énergie que 3 kilos d’essence²;
• La combustion d’hydrogène n’émet pas de CO₂;
• L’hydrogène peut être stocké et pourrait donc constituer une source potentielle de stockage qui permettrait de compenser l’intermittence des énergies renouvelables³

Comment est-il produit et pour quels usages ?

La France produit près de 1 million de tonnes d’hydrogène chaque année, ce qui représente environ 1,5% de la production mondiale. Le problème de cette production est qu’elle est réalisée à 95% à partir d’énergies fossiles. La technique de production la plus utilisée est celle du vaporeformage du méthane. Elle consiste à créer de l’hydrogène à partir de méthane et de vapeur d’eau. Avec cette technique, 10 kg de CO₂ sont émis pour 1 kg d’hydrogène produit⁴.

La production d’hydrogène à partir d’énergies fossiles engendre donc des émissions considérables de gaz à effet de serre. Rien qu’en France, la production d’hydrogène est responsable de l’émission de 9 Mt de CO₂, soit environ 2 % des émissions nationales⁵ ! Les usages de cet hydrogène ne sont pas moins émetteurs puisqu’il sert en priorité au raffinage pétrolier (60%), à la production d’ammoniac et d’engrais (25%) et à la chimie (10%).

Rien qu’en France, la production d’hydrogène est responsable de l’émission de 9 Mt de CO₂, soit environ 2 % des émissions nationales !

Si 95% de l’hydrogène est produit à partir d’énergies fossiles, c’est principalement en raison du faible coût de cette technique. En effet, le vaporeformage est le procédé le plus économique avec un coût d’environ 1,5€/kg d’hydrogène produit contre près de 4 à 6€/kg pour l’hydrogène bas-carbone⁶. Il est également intéressant de noter que le prix de l’hydrogène produit à partir d’énergie fossile reste près de 3 fois plus cher que le prix du gaz naturel.

Ainsi, si les techniques alternatives de production d’hydrogène sont restées à un niveau marginal jusqu’à maintenant ce sont davantage pour des raisons de coût que de contraintes techniques.

Pourquoi un tel engouement maintenant pour l’hydrogène ?

Si l’hydrogène fait tant parler de lui ces derniers temps, c’est parce que les industriels semblent prêts à industrialiser la production d’hydrogène bas-carbone et les pouvoirs publics à fournir les financements nécessaires. La production d’hydrogène bas-carbone se ferait grâce une technique particulière : l’électrolyse alcaline de l’eau, souvent abrégée en électrolyse de l’eau, qui consiste à casser des molécules d’eau pour séparer et extraire de l’hydrogène.

Pourquoi cette méthode de production est-elle intéressante ? Principalement, car elle ne fait appel qu’à de l’eau et de l’électricité. Si l’électricité est elle-même produite à partir de source décarbonée, comme les énergies renouvelables ou le nucléaire, cela permettrait de produire de l’hydrogène sans émettre directement de CO₂ ⁷. Il est cependant primordial d’utiliser de l’électricité bas-carbone pour produire cet hydrogène, sous peine de voir un gain nul en termes d’émissions de CO₂ par rapport aux méthodes de production d’hydrogène ayant recours aux énergies fossiles. Sur ce sujet, Maxence Cordiez, ingénieur dans le secteur de l’énergie, met en avant les limites des certificats garantissant l’origine de l’électricité qui pourraient servir à produire de l’hydrogène à bas coût à partir de moyens de production d’origine fossile et fausser de manière artificielle la compétitivité réelle du marché de l’hydrogène bas-carbone⁸.

Pour rappel, voici les émissions totales de CO₂ par kWh pour les différentes sources d’énergie utilisées lors de la production d’électricité selon le Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC)⁹ :

Source d’énergie utilisée pour produire de l’électricité	Valeur médiane retenue pour les émissions de CO2 (gCO2eq/kWh) par le GIEC
Charbon	820
Pétrole	650
Gaz	490
Biomasse seule (non combinée au charbon)	230
Panneau solaire	45
Hydroélectricité	24
Eolien en mer	12
Nucléaire	12
Eolien terrestre	11

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Le recours à cet hydrogène décarboné permettrait de diminuer les émissions de CO₂ dans l’atmosphère. Cela contribuerait également à atteindre l’objectif qui a été fixé dans le cadre de la Stratégie Nationale Bas Carbone (SNBC) pour l’industrie : 53 millions de tonnes émises par an en 2030 contre 80 millions de tonnes émises par an aujourd’hui¹⁰. 

Cependant, en raison du coût plus élevé de cette technique de production, son décollage ne sera permis qu’en raison d’un soutien fort de l’Etat. C’est dans ce cadre qu’intervient la stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France.

Quelles sont les conditions pour faire décoller la filière hydrogène ? 

Pour que l’hydrogène bas-carbone ait un avenir significatif, il faudra que son prix soit compétitif. Pour cela il faut s’intéresser au coût des électrolyseurs qui sont les “machines” permettant de produire de l’hydrogène à partir d’électricité. Les électrolyseurs ont des coûts fixes élevés (investissements liés à la construction et l’installation des électrolyseurs) mais des coûts variables (dépenses liées à l’utilisation des électrolyseurs) relativement faibles. Autrement dit, plus la quantité d’hydrogène produite est grande, moins le prix unitaire (par kilo d’hydrogène produit) sera important.

L’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) a réalisé des simulations de coût d’hydrogène en fonction du degré d’utilisation des électrolyseurs. Si les électrolyseurs fonctionnent moins de 2 000 heures par an, le coût de l’hydrogène varie entre 3$/kg et 8$/kg. En revanche, lorsque les électrolyseurs fonctionnent davantage et produisent pendant 4 000 et 6 000 heures, le coût tend vers 2$/kg. Ce coût de 2$/kg d’hydrogène se rapproche du coût de l’hydrogène produit à partir d’énergies fossiles (1,5€/kg) et pourrait permettre à cette technologie de devenir compétitive d’un point de vue économique.
Ainsi, si l’on veut que l’hydrogène bas-carbone soit compétitif, il faudra que les électrolyseurs produisent avec un rendement maximum. Or, lorsque l’on parle d’hydrogène “vert”, certains souhaiteraient que l’électricité utilisée dans le procédé ne provienne que des énergies renouvelables comme l’éolien ou le solaire. Ces énergies sont par nature intermittentes et connaissent des creux de production en l’absence de vent ou de soleil. En effet, ces deux sources d’énergie ne fonctionnent pas à pleine puissance plus de 4 000 heures par an (2 163 heures/an pour l’éolien en 2019 et 1 183 heures/an pour solaire en moyenne en France sur l’année 2019¹¹).

Produire de l’hydrogène uniquement à partir d’électricité issue d’énergies renouvelables irait donc à l’encontre du bon sens économique et augmenterait le coût de l’hydrogène, ce qui risquerait de compromettre son déploiement à grande échelle. Il apparaît donc primordial d’inclure toutes les énergies bas-carbone, dont le nucléaire, pour la production d’électricité qui servira à produire l’hydrogène. Cela permettrait de maximiser la production, de faire baisser les coûts, et ainsi de décarboniser massivement la production d’hydrogène. La France a intégré le nucléaire dans sa stratégie d’hydrogène bas-carbone ce qui lui confère un avantage stratégique, charge à la Commission Européenne désormais d’en faire de même dans sa feuille de route sur l’hydrogène.

Produire de l’hydrogène uniquement à partir d’électricité issue d’énergies renouvelables irait donc à l’encontre du bon sens économique et augmenterait le coût de l’hydrogène, ce qui risquerait de compromettre son déploiement à grande échelle. Il apparaît donc primordial d’inclure toutes les énergies bas-carbone, dont le nucléaire, pour la production d’électricité qui servira à produire l’hydrogène.

Quels usages privilégier pour l’hydrogène bas-carbone ? 

Utiliser le surplus d’électricité des énergies renouvelables pour produire de l’hydrogène est une manière d’utiliser cet excédent mais ne devrait pas être la seule retenue afin de maximiser le potentiel de l’hydrogène comme indiqué précédemment.

Graphique réalisé d’après données RTE.

Sur ce sujet, un autre point de vigilance est à relever. La France est exportatrice nette d’électricité, c’est-à-dire qu’elle produit plus d’électricité qu’elle n’en consomme. Le surplus d’électricité produit est aujourd’hui exporté mais il sera possible à l’avenir de l’utiliser pour d’autres usages comme la production d’hydrogène ou bien la recharge des batteries des véhicules électriques. RTE, le gestionnaire du réseau électrique français a estimé que les usages qui permettent de réduire le plus les émissions de CO₂ sont l’utilisation de l’électricité française en premier lieu pour l’export (car l’électricité de nos voisins directs est plus carbonée en raison d’un recours plus important que la France aux énergies fossiles), puis pour la mobilité (autrement dit la recharge des batteries des véhicules électriques qui remplacent des véhicules à diesel ou essence) et enfin pour la production d’hydrogène par électrolyse (qui remplace la production d’hydrogène à partir d’énergies fossiles) .
Ainsi, il faut espérer que nos voisins ferment au plus vite leurs centrales à charbon et au gaz pour que l’utilisation de notre surplus d’électricité soit le plus profitable pour le climat si nous l’utilisons pour d’autres usages que l’export. Avec la situation actuelle, si l’électrolyse se substitue aux 2 usages mentionnés plus haut, le gain de CO₂ sera plus faible et donc l’impact sur la réduction des émissions de CO₂ sera amoindri¹³. Il est également important de noter que la nuit, lorsque la demande d’électricité est moins importante, il serait possible d’utiliser une partie des moyens de production non sollicités afin de produire de l’hydrogène sans pour autant réduire nos exportations.

Pour autant, si l’électricité bas-carbone française n’exploitera pas son plein potentiel de réduction des émissions de CO₂  en étant utilisée pour la production d’hydrogène bas-carbone, elle permettra  quand même de réduire les émissions de CO₂ et participera surtout au développement de la filière hydrogène française.

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Ainsi, l’hydrogène produit par électrolyse pourrait représenter une vraie solution supplémentaire pour lutter contre le réchauffement climatique. Si on le substitue à la production d’hydrogène à partir d’énergies fossiles, on pourrait réduire les 9 M de tonnes de CO₂ générées chaque année dans le cadre de sa production. Sur le moyen et long terme de nouveaux usages liés à l’hydrogène bas-carbone pourraient même permettre de réduire les émissions d’autres secteurs comme le transport (en particulier sur la mobilité lourde) ou encore le secteur de l’énergie avec la production d’électricité (à travers des solutions de stockage).

Notes et sources

1. Voir les explications exhaustives du Dr. Isabelle Moretti sur l’hydrogène natif https://www.connaissancedesenergies.org/tribune-actualite-energies/lhydrogene-naturel-curiosite-geologique-ou-source-denergie-majeure-dans-le-futur
2. Voir la section Hydrogène sur le site de IFP Energies Nouvelles http://www.ifpenergiesnouvelles.fr/espace-decouverte/les-cles-pour-comprendre/les-sources-d-energie/l-hydrogene
3. Pour nuancer le propos, il est nécessaire de noter que la faible densité énergétique de l’hydrogène entraîne des contraintes techniques sur le plan du stockage. En effet, afin de stocker et/ou de transporter l’hydrogène, il faut le liquéfier à une température extrêmement basse (- 253 °C) ou le comprimer à très haute pression (700 bars) ce qui complexifie la chaîne d’approvisionnement.
4. Plus d’explications sur le processus de vaporéformage du méthane ici https://www.h2life.org/fr/hydrogene/sources/vaporeformage
5. Voir le dossier sur l’hydrogène sur le site du ministère de l’économie, des finances et de la relance https://minefi.hosting.augure.com/Augure_Minefi/r/ContenuEnLigne/Download?id=5C30E7B2-2092-4339-8B92-FE24984E8E42&filename=DP%20-%20Strat%C3%A9gie%20nationale%20pour%20le%20d%C3%A9veloppement%20de%20l%27hydrog%C3%A8ne%20d%C3%A9carbon%C3%A9%20en%20France.pdf
6. Voir le plan de déploiement de l’hydrogène pour la transition énergétique rédigé par le CEA et la DGEC https://www.ecologie.gouv.fr/sites/default/files/Rapport%20H2%20MTES%20CEA%200106.pdf
7. Les énergies renouvelables et le nucléaire n’émettent pas de CO2 lors de la production d’électricité. En revanche, sur l’ensemble de leur cycle de vie (construction, maintenance, démantèlement, etc.) on enregistre des émissions indirectes de CO2. Ces émissions sont cependant négligeables par rapport aux émissions libérées lors de la production d’électricité à partir des énergies fossiles.
8. Voir l’impact que pourrait avoir les certificats verts sur la production d’hydrogène en Europe https://www.lefigaro.fr/vox/monde/la-filiere-hydrogene-va-t-elle-vraiment-verdir-l-electricite-europeenne-20200724
9. Voir le rapport du GIEC 2014: Energy Systems. In: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change
10. Voir le dossier sur l’hydrogène sur le site du ministère de l’économie, des finances et de la relance https://minefi.hosting.augure.com/Augure_Minefi/r/ContenuEnLigne/Download?id=5C30E7B2-2092-4339-8B92-FE24984E8E42&filename=DP%20-%20Strat%C3%A9gie%20nationale%20pour%20le%20d%C3%A9veloppement%20de%20l%27hydrog%C3%A8ne%20d%C3%A9carbon%C3%A9%20en%20France.pdf
11. Ces valeurs sont obtenues en multipliant le facteur de charge 2019 de l’éolien et du solaire disponible dans le Bilan Electrique 2019 de RTE par le nombre d’heures dans une année.
12. Voir la synthèse de RTE sur le sujet “Groupe de travail hydrogène – interfaces électricité et autres vecteurs »
13. Voir la Figure 21 du rapport “La transition vers un hydrogène bas carbone. Atouts et enjeux pour le système électrique à l’horizon 2030-2035” de RTE https://assets.rte-france.com/prod/public/2020-07/rapport%20hydrogene.pdf”

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