Dossier "Hydrogène, vecteur énergétique"

Publié par IFPEN et M.E.

1. Généralités sur l'hydrogène

Le déploiement des énergies renouvelables, par nature intermittentes, nécessite le développement d’une infrastructure de stockage de l’énergie adaptée en taille et en flexibilité. Une des voies envisagées est la conversion de l’électricité d’origine solaire ou éolienne en hydrogène. Une voie directe fait l'objet de recherche est la conversion directe de biomasse en hydrogène. En effet, l’hydrogène est un vecteur d’énergie à fort potentiel, autant pour le stockage stationnaire avec notamment la production de gaz de synthèse, que pour l’alimentation des véhicules électriques de grande autonomie : bateaux, trains, bus, camions, voitures, etc.. La maîtrise technologique de sa production avec une faible empreinte carbone fait donc l’objet d’un effort de R&D renforcé, tout comme son stockage et sa conversion.

Rôle comme vecteur énergétique : Comme l’électricité, l’hydrogène est principalement un vecteur énergétique et non une énergie en tant que telle, même si quelques sources de production d’hydrogène naturel ont pu être observées. Il est donc produit à partir d’une source d’énergie.

Procédés de production : Actuellement, pour des raisons économiques, il est issu à 95 % de la transformation d’énergies fossiles, dont pour près de la moitié à partir du gaz naturel. Avec l’accroissement de la production d’électricité à partir d’énergies décarbonées, notamment renouvelables, la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau et son utilisation dans le cadre de la transition énergétique pour atteindre une neutralité carbone en 2050 sont à l’étude. Utilisé à ce jour essentiellement dans la chimie ou le raffinage, l’hydrogène pourrait trouver d’autres applications comme celles de décarboner certains secteurs industriels, d’assurer le stockage de l’électricité ou d’alimenter le secteur des transports.

Ressources actuelles pour sa production : Les ressources principales permettant de produire le dihydrogène H2 (que l'on appellera hydrogène de façon abusive par la suite) 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. On trouve aussi de l'hydrogène dans les hydrocarbures qui 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.

Propriétés physico-chimiques : La molécule de dihydrogène(H2), composée de deux atomes d'hydrogène, est particulièrement énergétique : la combustion d’un kg d'hydrogène libère environ trois fois plus d'énergie qu'un kg d'essence, et ne produit que de l’eau.

En revanche, l’hydrogène occupe, à masse égale, beaucoup plus de volume que tout autre gaz. Ainsi pour produire autant d'énergie qu'un litre d'essence, il faut entre 6,4 et 7 litres d'hydrogène comprimé à 700 bars (environ 700 fois la pression atmosphérique !).

L’hydrogène est très léger, ce qui est un handicap pour son stockage et son transport. On utilise en général des bouteilles ou des pipelines dans lesquels il voyage sous forme comprimée. La forme liquide (à une température de - 253°C) plus dense est cependant beaucoup plus coûteuse.

L'hydrogène à l'état naturel : 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. Mais la route est longue avant d’envisager une exploitation rentable. Les connaissances sur l’origine de la formation de cet hydrogène et les recherches sur des techniques de production rentables doivent encore progresser.

L‘exploitation de l’hydrogène naturel au fond des mers, par très grands fonds et très loin des côtes, n’est pas économique. Plus récemment, des émanations d’hydrogène à terre, plus faciles d’accès, ont été décelées dans deux types de contexte géologique :

  • les grands massifs terrestres de péridotite, où un contexte tectonique particulier expose les roches à l'altération par les eaux météoriques,
  • des zones situées au cœur des continents, les zones intra-plaques, et en particulier dans les parties les plus anciennes, les cratons précambriens, situés au centre des continents émergés.
2. L'hydrogène et les enjeux de la transition énergétique

L’hydrogène pourrait répondre à trois enjeux essentiels de la transition énergétique :

 Décarboner le secteur industriel très consommateur en énergie : L’hydrogène aurait dans ce cas deux utilisations : d’une part alimenter en énergie décarbonée les unités industrielles concernées ; d’autre part contribuer à la décarbonation des procédés industriels concernés en substitution des énergies fossiles utilisées actuellement ; c’est le cas par exemple de la fabrication d’acier qui résulte de la réduction des minerais de fer ; cette réduction opérée aujourd’hui via le charbon pourrait demain l’être en utilisant de l’hydrogène décarboné.

Décarboner le secteur des transports : Les véhicules électriques équipés d’une pile à combustible (PAC) transforment l’hydrogène en électricité et en vapeur d’eau, mais cette solution n'est favorable en terme environnemental que si l’hydrogène est produit à partir de sources décarbonées ; l’hydrogène présente des avantages par rapport aux batteries, en termes d’autonomie (500 à 700 km) et de temps de recharge (< 5 mn). L’hydrogène offre une autre option de décarbonation du transport qui consiste à l’utiliser comme carburant alimentant un moteur à combustion interne. Cette option est à l’étude en ce moment. 

Tous les modes de transport existent déjà avec comme carburant l'hydrogène. M.E.

 

Pallier la variabilité de la production de certaines sources d'énergies renouvelables avec la possibilité de stocker l'hydrogène : L'hydrogène est produit par électrolyse de l'eau, l’électricité étant fournie par une production éolienne ou photovoltaïque, puis stocké selon différents modes de stockage possible (batteries, stockage massif en cavités salines) selon l’usage qu’on veut en faire. Un intérêt de ce stockage est de pouvoir ensuite reconvertir cet hydrogène en électricité et ainsi d’optimiser la capacité de production électrique à construire et de pallier les intermittences de production des énergies renouvelables éoliennes et solaire et, enfin, de répondre aux pointes de consommation.

Cela nécessite donc de pouvoir produire de l’hydrogène non carboné. Ceci peut être obtenu soit par la conversion d’énergies fossiles (dont notamment le reformage de gaz naturel) qui peut être décarbonée par captage de CO2 puis stockage dans le sous-sol de façon pérenne (c’est l’hydrogène bleu), soit par électrolyse, l’électricité étant produite à partir d’énergies renouvelables (il s’agit ici d’hydrogène vert). L’hydrogène produit par électrolyse peut également être décarboné si l’électricité est d’origine nucléaire.

La production "d’hydrogène vert" n’est pas encore une réalité. Une transformation des systèmes énergétiques et du contexte technico-économique seront nécessaires pour y parvenir.

La valorisation de l'hydrogène décarboné : On distingue généralement quatre voies de valorisation de l’hydrogène décarboné :


Power to Industry : la vente directe aux industries consommatrices d’hydrogène vert (raffinage, chimie) afin de décarboner leurs processus industriels.

  • Power to Gas : valorisation dans le secteur gazier sous deux formes :
    • par injection directe dans les réseaux gaziers pour combustion,
    • par production de méthane de synthèse (selon le principe de méthanation : conversion du monoxyde (CO) ou du dioxyde de carbone (CO2) en présence d'hydrogène) qui peut ensuite être transformé en chaleur, électricité ou carburant.
  • Power to Power : production d’électricité grâce aux piles à combustibles.
  • Power to Mobility – efuel : transformation de l’hydrogène en un autre carburant via le procédé appelé Fischer Tropsch. Il s’agit de produire à partir d’H2 et de CO2 un carburant utilisable dans les moteurs actuels.
Source : IFPEN

Les caractéristiques physico-chimiques de l’hydrogène en font un bon candidat pour une utilisation dans un moteur à allumage commandé de type « essence ». Le principal avantage réside dans le bilan environnemental : combiné 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. 

Moteur à combustion interne V12 fonctionnant à l'hydrogène. Source : BMW
4. Dossier bibliographique :
Articles de presse, médias internet

- L’hydrogène tiendra-t-il ses promesses, CNRS, Le journal, 10 décembre 2020.

- La région Occitanie va construire un campus de recherche sur l'avion à hydrogène, Les Echos, 10 décembre 2020.

- DFDS travaille sur un grand ferry 100% hydrogène pour 2027, Mer & Marine, 27 novembre 2020.

- Des scientifiques créent des « bio-usines » à hydrogène, Trust my Science, 26 novembre 2020.

- L’hydrogène, un vecteur énergétique alternatif à l’électricité pour la mobilité lourde, Techniques de l'ingénieur, 17 novembre 2020.

- France relance : pleins phares sur l’hydrogène, Techniques de l'ingénieur, 16 septembre 2020.

- Produire de l’hydrogène vert, Innovation 24, 19 mars 2020.

- Produire de l’hydrogène avec des algues, c’est possible, Campus, n°89, Université de Genève, 29 août 2016.

- L'hydrogène : vecteur de la transition énergétique ? Synthèse du rapport, OPECST, février 2014.

- L'hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir, La Jaune et la Rouge, août-septembre 2014.

Articles de revues scientifiques

- Photosynthetic hydrogen production by droplet-based microbial micro-reactors under aerobic conditions, Nature Communications, vol.11, 25 November 2020.

- Production d’hydrogène par procédés biologiques, Oil Gas Sci. Technol. – Rev. IFP Energies nouvelles, vol. 74, 2019.

- Les systèmes hydrogène : quels usages avec quelles technologies ? La Revue de l’Énergie, n°639, juillet-août 2018.

- Hydrogen from algal biomass: A review of production process, Biotechnology Reports, Vol. 15, September 2017.

- Hydrogen production by methane decomposition: A review,  International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, Issue 3, February 2010.

- Biomass-based hydrogen production: A review and analysis, International Journal of Hydrogen Energy, vol.34, Issue 21, November 2009.

- Etudes des procédés de production biologiques de l’hydrogène, Revue des Energies Renouvelables,  Vol. 10,  n°4, 2007.

Rapports et notes techniques

- L'hydrogène, catalyseur de la décarbonation, Actu-Environnement, avril 2021.

- L'hydrogène, un vecteur d'énergie, brochure, CEA, décembre 2013.

- Hydrogène décarboné : où en est la France ? Techniques de l'ingénieur, novembre 2020.

- Compétences et métiers associés à la chaine de valeur Hydrogène, AFHYPAC, décembre 2020.

- Stratégie nationale pour le développement de l'hydrogène décarboné en France, Dossier de presse, Ministère de la Transition Ecologique, septembre 2020.

- Rendement de la chaîne Hydrogène-Fiche-technique, ADEME, février 2020.

- Hydrogène : Analyse des potentiels industriels et économiques en France, Rapport, ADEME, décembre 2019.

- Plan de déploiement de l'hydrogène pour la transition énergétique, résumé,  Ministère de la Transition Ecologique, mai 2018.

- Plan de déploiement de l'hydrogène pour la transition énergétique, rapport, CEA, Ministère de la Transition Ecologique et Solidaire, mai 2018.

- L'hydrogène dans la transition énergétique, Fiche technique, ADEME, mars 2018.

- La recherche au service de la transition énergétique :  hydrogène et pile à combustible, ADEME, mars 2018.

- L'hydrogène, vecteur de la transition énergétique, rapport, OPECST, 19 décembre 2013.

- Serge Hiligsmann, Production de biohydrogène par fermentation anaérobie chimiotrophe de substrats carbohydratés, Thèse de Doctorat, Centre Wallon de Biologie Industrielle, Université de Liège, mars 2012.

Livres

- Gilles Guerassimoff, Lise Adegnon, L'hydrogène, un vecteur pour la transition énergétique ? Presses des Mines, 2020.

- EDF, L'hydrogène décarboné : Un défi pour la transition énergétique, Lavoisier, 2019

- Thierry Lepercq, Hydrogène, le nouveau pétrole, Editions du Cherche Midi, 2019.

- Claude Beguin, Une chronique de l'hydrogène. Histoire des méthodes de production et des applications, EPFL Press, 2016.

- Eric Deville, Alain Prinzhofer, Hydrogène naturel. La prochaine révolution énergétique ? Belin Editeur, 2015.

- Pierre-Etienne Franc, Pascal Matéo, Hydrogène : la transition énergétique en marche ! Alternatives, Gallimard, 2015.

- Méziane Boudellal, La pile à combustible - 2e éd. - L'hydrogène et ses applications, Dunod, 2012.

- Edouard Freud, Paul Lucchese, L'hydrogène, carburant de l'après-pétrole ? Editions Technip, 2012.

Vidéos

- Air Liquide présente "Génération Hydrogène", Les Echos, 10 décembre 2020.

- What Is Green Hydrogen And Will It Power The Future? CNBC, 3 December 2020.

- L’hydrogène va-t-il révolutionner l'énergie ? Les Echos, 12 octobre 2020.

- The role of hydrogen as a clean energy vector, World Energy Council, 28 October 2020.

- The promise of the green hydrogen economy, Business Day TV, 21 September 2020.

- L'histoire de l'hydrogène, vecteur d'énergie, CEA, 9 janvier 2019.

- Why hydrogen engines are a bad idea, Engineering Explained, 30 December 2018.

- The Hydrogen Economy Future, Meetings of the Minds, 12 December 2018.

- Hydrogen - the fuel of the future? Real Engineering, 20 April 2018.

 

Sites internet

- ADEME :  https://www.ademe.fr/expertises/energies-renouvelables-enr-production-reseaux-stockage/passer-a-laction/vecteur-hydrogene

- Association Française pour l'Hydrogène et les Piles à Combustible (AFHYPAC) : https://www.afhypac.org/

- Connaissance des énergies : https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydrogene-energie

- European Clean Hydrogen Alliance: https://www.ech2a.eu/

- Hydrogen Council: https://hydrogencouncil.com/en/

- IFP Energies Nouvelles : https://www.ifpenergiesnouvelles.fr/enjeux-et-prospective/decryptages/energies-renouvelables/tout-savoir-lhydrogene

- LITEN / CEA :  https://liten.cea.fr/cea-tech/liten/Pages/Axes-de-recherche/Solutions-de-flexibilite/Vecteur-Hydrogene.aspx

 

 

Publié dans Energie, Climat

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