L'avenir de l'hydrogène

Aliette QuintDirectrice des Affaires Publiques et Réglementaires, Hydrogen Initiative, au sein du groupe Air Liquide
"L'hydrogène permet de décarboner de nombreux secteurs à commencer par les transports."

Hydrogène : un vecteur énergétique propre et efficace

La commercialisation des premières voitures particulières à hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l’univers. a dirigé les projecteurs sur un vecteur énergétique qui présente une large gamme d’applications. La mobilité mais aussi l’habitat, l’industrie, les marchés de l’énergie, notre vie quotidienne elle-même pourraient connaître des bouleversements. Aliette Quint, Directrice des Affaires Publiques et Réglementaires d’Air Liquide Hydrogen Initiative, fait le point sur la production, le stockage et les usages de l’hydrogène.

Treize grands groupes multinationaux de l’énergie, de l’industrie et du transport ont créé en janvier 2017 à Davos, en Suisse, le Conseil de l’Hydrogène (Hydrogen Council) pour accélérer l'utilisation de l'hydrogène comme nouveau vecteur d'énergie dans l’économie en général et dans notre vie quotidienne. Ils ont depuis été rejoints par 15 nouvelles compagnies.

Cet engagement est un signal fort quant au rôle que l’hydrogène aura à jouer dans la transition énergétiqueLa transition énergétique désigne le passage du système actuel de production d'énergie... et pour une croissance durable. Selon une étude¹ présentée en marge de la COP23, il pourra contribuer à la réduction des émissions de CO₂Dioxyde de carbone. Avec la vapeur d'eau, c’est le principal gaz à effet de serre (GES) de l'atmosphère terrestre... pour une valeur allant jusqu’à 6 gigatonnes à l’horizon 2050, soit 1/5 de l’effort à fournir pour rester en dessous des 2° C de réchauffement climatiqueLe réchauffement climatique, appelé aussi réchauffement planétaire ou réchauffement global, est un phénomène d'augmentation de la température moyenne des océans... . Il pourrait générer un revenu annuel de 2 500 milliards de dollars et 30 millions d'emplois, si les conditions notamment réglementaires et financières sont réunies.

L’hydrogène permet en effet de décarboner de nombreux secteurs à commencer par les transports (jusqu’à 40 % des réductions nécessaires), aussi bien dans les véhicules légers et lourds que dans le ferroviaire, le maritime, l’aérien. Il peut contribuer à la décarbonationLa décarbonation du bilan énergétique d'un pays consiste à réduire ses émissions de gaz à effet de serre (CO2 et méthane, principalement). de l’habitat (par des piles stationnaires produisant électricité et chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... ou par injection dans les réseaux de gaz) et de filières industrielles comme la chimie ou le raffinageEnsemble des opérations industrielles permettant d'élaborer divers produits pétroliers (gaz, essences, fiouls, bitumes…) à partir de pétroles bruts. . L’hydrogène permet de stocker l’électricité renouvelable et de distribuer l’énergie entre les territoires. Il s’agit donc bien d’un vecteur énergétique propre et efficace.

Pour rappel, l’hydrogène est la moléculeUne molécule est l'assemblage chimique d'au moins deux atomes, allant des plus simples (dihydrogène, dioxygène, diazote...) jusqu'aux macromolécules... la plus abondante sur terre, la plus légère aussi. Mais elle se présente toujours accrochée à d’autres molécules, notamment à l’oxygène (l’eau, H₂O) et au carbone (le méthane du gaz naturel, CH₄).

Il existe deux grandes voies de production :

Le reformage de gaz naturel - Il s’agit de craquer grâce à de la vapeur à haute température la molécule de méthane pour obtenir de l’hydrogène, du monoxyde ou du dioxyde de carboneAvec la vapeur d'eau, c’est le principal gaz à effet de serre (GES) de l'atmosphère terrestre... (CO et CO₂). C’est aujourd’hui la voie la plus économique et la plus mûre. Elle est réalisée dans de grandes unités industrielles, généralement proches des clients : les raffineurs, qui en ont besoin pour retirer le soufre des essences, les industries chimiques, les fabricants d’acier. En utilisant du biométhane, issu de la biomasseDans le domaine de l'énergie, la biomasse se définit par l'ensemble des matières organiques d'origine végétale ou animale... , la production de cet hydrogène n’émet pas de CO₂ d’origine fossile.
L’électrolyse de l’eau - Un courant électrique dans un électrolyte « casse » les molécules d’eau et sépare l’hydrogène et l’oxygène. Aujourd’hui, le coût industriel des électrolyseurs alcalins de grande taille est environ 3 fois supérieur à celui du reformage, ce qui réduit pour le moment leur utilisation. Mais cette solution présente de nombreux avantages. Elle produit un hydrogène décarboné si l’on utilise de l’électricité renouvelable. Elle est un moyen de stocker cette électricité par nature intermittente pendant des mois, ce que ne permet pas l’utilisation de batteries, puis de la restituer à volonté. À noter qu’il est possible de développer des électrolyseurs de petite taille (comme celle d’une boîte à chaussure) pour de toutes petites productions.

Plusieurs méthodes de stockage sont possibles :

Sous forme liquide, avec un point de liquéfactionLa liquéfaction désigne l'un des changements d'état de la matière, de l'état gazeux vers l'état liquide... à -252,87 °C à pression atmosphérique, l’hydrogène est facile à stocker et transporter en grandes quantités. Les Japonais, qui ont une vision à long terme, les Australiens, les Norvégiens réfléchissent à ce transport intercontinental. On connait les « méthaniers », on parlera peut-être des « hydrogéniers » …
Sous forme gazeuse, il est compressé à 50, 100 ou 1 000 bars, selon les usages, et contenu dans des réservoirs, stationnaires ou transportables, en métal ou en matériaux composites. En dehors de l’industrie, l’usage le plus connu est celui de la voiture à hydrogène, déjà commercialisée dans plusieurs pays.
À faible pression et en grand volume, il peut être stocké dans des cavités salines par exemple, comme l’est le méthane ou le CO₂.

Pour permettre les nouvelles utilisations de l’hydrogène à la même échelle que son utilisation industrielle, il faut bien sûr continuer à améliorer leurs performances et mobiliser les investissements. Mais, nous ne sommes plus dans la recherche pure, ni la science-fiction : le déploiement, notamment en matière de stations-services pour la mobilité, a commencé.

Diplômée de l’ESSEC et l’IEP de Lille, Aliette Quint a dirigé la société Arcturus Group, spécialisée dans le conseil en stratégie institutionnelle notamment européenne. Elle a ensuite rejoint le groupe français Air Liquide, leader mondial dans le secteur des gaz et services pour l’industrie et la santé. Elle y est Directrice à l’international des Affaires Publiques et Réglementaires, Hydrogen Initiative.

Source :

(1) Voir l’étude « Hydrogen, scaling up »

François Le NaourResponsable du Programme " Hydrogène " au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA)
"Par l'intermédiaire d'une pile à combustible, l'hydrogène conduit à l'électricité et à la chaleur."

L’hydrogène, un vecteur « passerelle » au cœur des territoires

Usage par usage, l’hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l’univers. est un vecteur énergétique qui est encore souvent concurrencé par des solutions énergétiques d’un meilleur rendement, et donc avec des coûts moindres. Mais il est un vecteur au carrefour de tous les autres, permettant de multiples combinaisons entre productions et usages au niveau local. L’avenir de la filière hydrogène est analysé ici par François Le Naour, responsable de programme au CEA.

Pour évaluer l’avenir de l’hydrogène, il faut d’abord bien comprendre l’une de ses spécificités remarquables. L’hydrogène est un vecteur qui se positionne au confluent de trois autres vecteurs énergétiques que nous utilisons quotidiennement : l’électricité, la chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... , le gaz naturel. On dit que c’est un vecteur « passerelle ».

En effet, par l’intermédiaire d’une pile à combustibleUne pile à combustible produit de l'électricité grâce à l'oxydation d'un combustible réducteur au niveau d'une première électrode... , l’hydrogène conduit à l’électricité et à la chaleur. Dans le secteur de la mobilité, il peut donc alimenter le moteur électrique d’une voiture. La plupart des grands constructeurs automobiles y travaillent et la commercialisation a commencé. Dans le domaine de l’habitat, il produit, à partir d’une pile stationnaire, de l’électricité et de la chaleur. Les Japonais ont déjà mis en place plusieurs centaines de milliers de ces équipements de la taille d’une chaudière et ils visent le million dans quelques années pour abaisser les coûts.

L’hydrogène est aussi un moyen de passage entre l’électricité et le gaz. L’hydrogène peut être produit par électrolyse de l’eau puis recombiné avec du CO₂Dioxyde de carbone. Avec la vapeur d'eau, c’est le principal gaz à effet de serre (GES) de l'atmosphère terrestre... pour fabriquer du méthane de synthèse, équivalent au gaz naturel. On parle dans ce cas de « power to gas ». Les Allemands ont travaillé sur ce concept, afin de transporter plus facilement les vastes quantités d’électricité intermittente produites par leurs éoliennes de la Baltique vers les consommateurs industriels du sud de l’Allemagne. Leur réseau électrique n’a pas une capacité suffisante pour jouer ce rôle ; le développer coûterait très cher et les populations acceptent mal les pylônes géants… Le gaz naturel, en revanche, circule très vite et en grands volumes dans les gazoducs. Il est ensuite reconverti en électricité.

L’émergence des territoires

Quel est l’intérêt d’avoir ainsi un vecteur qui se trouve au carrefour du gaz, de l’électricité et de la chaleur ? L’intérêt se mesure le mieux au niveau du territoire. Aujourd’hui, l’approche des questions énergétiques est de partir de l’immeuble, du quartier, de la commune, de la région. À chaque échelon, on cherche à produire plus que l’on ne consomme : on vise le bâtiment à énergie positive, mais aussi la région à énergie positive. Dans cette recherche d’autonomie, fondée sur des énergies renouvelablesOn appelle énergie renouvelable une source d'énergie dont le renouvellement naturel est immédiat ou très rapide... , il faut produire sur place (avec des éoliennes, des panneaux solaires, des unités de méthanisationLa méthanisation (ou digestion anaérobie) est un processus naturel complexe de dégradation de la matière organique... ) et si possible autoconsommer au même niveau, en répondant à la grande variété des usages (le chauffage ou la climatisation de l’habitat, la mobilité, l’alimentation de nos appareils électriques…).

Beaucoup de sources, beaucoup d’usages : on a donc des systèmes énergétiques qui imposent une vision en étoile, alors que nous sommes plus habitués aux réseaux verticaux qui apportent l’énergie d’un point central vers les territoires. Pour toutes ces opérations de passage des productions vers les usages, la moléculeUne molécule est l'assemblage chimique d'au moins deux atomes, allant des plus simples (dihydrogène, dioxygène, diazote...) jusqu'aux macromolécules... d’hydrogène est un vecteur (un « energy carrier », comme on dit en anglais) qui est flexible et qui se stocke mieux que l’électron. Ce vecteur passerelle est donc un vecteur territorial par excellence. L’économie de l’hydrogène va démarrer par les territoires, et la modélisation numérique va aider à maîtriser ce niveau de complexité pour les collectivités.

Vers un marché mondial

Son utilité s’affirme tellement que des industriels commencent à réfléchir à un marché de l’hydrogène à échelle mondiale, comme il y a un marché du gaz naturel. Mais ce sera un marché sans carbone ! Dans les grands déserts du Chili, de l’Arabie saoudite, de l’Australie, des productions massives d’électricité solaire et éolienne commencent à s’organiser, sans commune mesure avec les besoins locaux. L’hydrogène fabriqué par électrolyse pourra être transporté sous forme liquéfiée et acheminé vers les nouveaux marchés consommateurs, comme celui du Japon. En France même, une feuille de route est en préparation et il existe une filière industrielle couvrant toute la chaîne de la valeur, avec beaucoup de PME et un intérêt croissant des grands groupes.

Ainsi, dans les années à venir, la molécule d’hydrogène, dont le coût suivra la baisse de celui des énergies renouvelables et qui bénéficiera de progrès technologiques et de la massification de production industrielle, pourra être utilisée sur le bon marché au bon moment. Son intérêt économique sera alors considérable.

François Le Naour est responsable du Programme « Hydrogène » au Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA). Diplômé de l’École Centrale de Lyon, il a rejoint très tôt le CEA, où il a notamment dirigé les équipes de recherche dans le domaine des matériaux avant de s’orienter vers la gestion de projets transversaux. Coordinateur de plusieurs projets nationaux et européens, il participe à la définition de la stratégie de R&D et de déploiement de l’hydrogène dans les années à venir. Il est par ailleurs Vice-Président de l'AFHYPAC (Association Française de l'Hydrogène et des Piles à CombustibleUn combustible désigne tout composant ou matière solide, liquide ou gazeux susceptible de se combiner à un oxydant... )