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L’énergie à l’hydrogène

  • Auteurs: Emma Bernadet, Matthieu Cieutat et Julie Perrin
  • Temps de lecture estimé: 8min

L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant sur la planète Terre. Il est prometteur de l’utiliser en tant que ressource énergétique car il n’est pas sujet à des problèmes d’épuisement. Ce vecteur énergétique est souvent considéré comme “l’énergie du futur”. En effet, son utilisation génère 3 fois plus d’énergie que l’essence à poids constant [1]. De plus, une source d’énergie non carbonée est préférable dans un contexte de lutte contre le réchauffement climatique. Depuis plusieurs années, la recherche avance et l’utilisation de l’énergie à hydrogène dans le cadre de la transition écologique est à l’étude. Pour le moment, l’hydrogène est essentiellement utilisé comme comme réactif dans les procédés de raffinage et comme matière de base pour la production d’ammoniac (engrais) et de méthanol. L’agence internationale de l’énergie (AIE) estime que l’hydrogène décarboné pourrait contribuer à hauteur de 13% au mix énergétique global en 2050. C’est équivalent à une production 10 fois supérieure à celle d’aujourd’hui [1]. Pourtant, on ne voit toujours pas fleurir de voitures à hydrogène. Qu’en est-il vraiment du potentiel de l’hydrogène?
Avant de découvrir les limites de cette source d’énergie alternative, il faut bien comprendre son fonctionnement et ses différentes applications aujourd’hui.

NB: La terminologie employée couramment est un abus de langage : on utilise en fait du dihydrogène (H2 , 2 atomes) et non de l’hydrogène (H, 1 atome). 

Le fonctionnement de l’énergie à hydrogène

L’hydrogène existe rarement à l’état pur. Les atomes d’hydrogène sont généralement liés à d’autres atomes. Ainsi, récupérer de l’hydrogène nécessite la mise en place de filières de production. Plusieurs méthodes existent : on peut par exemple séparer les 4 atomes d’hydrogène de la molécule de méthane (CH4), en envoyant dans un réacteur de la vapeur d’eau à 900°C. Cette technique de reformage des gaz à la vapeur d’eau a pour inconvénient de former du CO2. Cependant, de nombreux autres procédés, comme l’électrolyse de l’eau, permettent de libérer de l’hydrogène sans carbone, permettant ainsi à cette forme d’énergie de rester sans émission de CO2 [2]. Seulement à l’heure actuelle, 96% de l’hydrogène utilisé est issu de ressources fossiles (hydrocarbure, gaz) [3].

Mais comment fonctionne cette “énergie miracle”? L’hydrogène libère de l’énergie sous forme chimique. Il s’agit plutôt d’un vecteur énergétique que d’énergie à part entière. Deux utilisations de l’hydrogène sont possibles, chacune avec des enjeux importants. Premièrement, l’hydrogène peut être utilisé directement comme combustible dans les moteurs thermiques. Il remplace ainsi l’essence dans les voitures et ne libère que de l’eau. Le secteur des transports n’est pas le seul concerné par l’énergie hydrogène, qui peut aussi être utilisée dans la production d’électricité. Faire de l’électricité à partir d’hydrogène nécessite une pile à combustible, comme la PEMFC (pile à combustible à membrane d’échange de protons) [4].
Cette dernière fonctionne avec des réactions d’oxydo-réduction à partir de dioxygène et d’hydrogène. Elle met ainsi en circulation des électrons et produit du courant électrique. Et quel produit est formé par cette réaction? Là encore, de l’eau.  

Ainsi, il est clair que les enjeux environnementaux sont de taille. Les études ont prouvé qu’une voiture utilisant l’hydrogène comme combustible libère deux fois moins de CO2 qu’une voiture à essence, en prenant en compte toutes les émissions de l’approvisionnement en combustible à la construction du véhicule [5]. De plus, l’hydrogène est un excellent moyen de stockage énergétique car il n’y a pas de production d’électricité tant qu’il n’est pas injecté dans la pile. Il permet ainsi de rendre plus facile l’utilisation d’énergie renouvelable en éludant le problème d’intermittence. Par exemple, le surplus d’énergie solaire produit en été peut être utilisé pour former du dihydrogène à partir d’eau (électrolyse de l’eau). En hiver, ce dihydrogène sera mobilisé pour produire l’électricité manquante liée au faible ensoleillement. 

Les recherches ont donc montré que l’hydrogène a de forts potentiels économique. Plébiscité par les défenseurs de l’environnement et par de nombreux grands groupes, l’hydrogène est devenu un enjeu majeur en matière de lutte contre la pollution. En juin 2018, Nicolas Hulot, alors ministre de la Transition écologique, avait d’ailleurs présenté un plan de soutien à la filière qui ambitionne de faire de la France un «leader mondial de cette technologie». Les grands groupes tels que Engie, Total, Air Liquide, Alstom, BMW ou encore General Motors se montrent très impliqués. Ils promettent tous d’investir dans cette source d’énergie devenue un «vecteur incontournable de la transition énergétique», selon Benoît Potier, PDG d’Air Liquide et co-président de l’Hydrogen Council [6].

La consommation mondiale actuelle d’hydrogène reste encore faible : environ 56 millions de tonnes, soit moins de 2% de la consommation mondiale d’énergie. Mais d’après une étude réalisée par le Hydrogen Council avec McKinsey, l’hydrogène pourrait représenter près d’un cinquième de l’énergie totale consommée à l’horizon 2050. «Cela permettrait de contribuer à hauteur de 20% à la diminution requise pour limiter le réchauffement climatique à 2°C», explique l’Hydrogen Council.
On peut distinguer deux grandes catégories d’acteurs de la filière hydrogène. Tout d’abord les centres de recherche travaillent sur les procédés de production et de transport les plus performants (en France, notamment le CEA [7], le CNRS ou IFP Énergies nouvelles). Les industriels travaillent de leur côté sur les débouchés de ce vecteur énergétique (constructeurs automobiles ou groupes gaziers comme Air Liquide). En France, la filière est mise en valeur auprès des acteurs économiques et du grand public par l’association française de l’hydrogène (AFH2). 

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C’est surtout dans les transports que son utilisation est en train d’évoluer car il offre à ce secteur un potentiel de développement majeur. Plusieurs entreprises et constructeurs automobiles ont déjà commencé à commercialiser des véhicules utilisant ce procédé. À Paris, les taxis Hype, développés par la start-up STEP, roulent déjà à l’hydrogène. Ces taxis, reconnaissables à leur couleur bleu ciel et leurs nuages, profitent des trois stations de recharge installées par Air Liquide à Orly, Roissy et près du pont de l’Alma. Le département pionnier en la matière reste celui de la Manche qui, en janvier 2015, a inauguré la première station publique d’hydrogène pour voitures de France. La collectivité possède aujourd’hui une flotte de 17 véhicules à hydrogène. Selon Hydrogen Council, l’hydrogène pourrait alimenter 10 à 15 millions de voitures et 500.000 camions d’ici à 2030. 
Depuis 2017, les premiers vélos électriques à hydrogène de France, conçus par Pragma Industries, sont en service à Saint-Lô dans le département de la Manche. Des scooters à hydrogène sont également proposés par la société suisse Aaqius. Un bateau à hydrogène, Energy Observer, 100% autonome en énergie, a aussi été mis à l’eau en avril 2017. Fabriqué à Saint-Malo, il est présenté comme «le premier navire au monde, capable de produire son propre hydrogène à bord». Il a entamé son tour du monde pour six ans à l’été 2017.

Le secteur aérien aussi s’est lancé dans l’utilisation de l’hydrogène. Plusieurs projets ont vu le jour, l’un des plus récents étant porté par l’Onera, le centre français de recherche aérospatial qui avait présenté Ampere en 2016. Il a pour objectif de construire un avion futuriste qui sera alimenté en électricité par dix piles à hydrogène.
Plusieurs pays se trouvent à la pointe de la recherche appliquée à l’hydrogène. En 2007, le Canada et les États-Unis ont convenu de créer une « autoroute verte », un réseau de 200 stations de ravitaillement en hydrogène entre la Colombie-Britannique et la Californie. La ville de Londres, quant à elle, s’est engagée à réduire ses émissions de gaz à effet de serre de 60% d’ici 2025 et a acquis une flotte de huit autobus à hydrogène dans cette optique [8]

Les freins à l’expansion de cette énergie

Mais alors pourquoi l’énergie à hydrogène n’est-elle pas l’énergie adoptée mondialement ? Tout d’abord car 95% de l’hydrogène récupéré est issu de méthodes nécessitant des énergies fossiles. La seule méthode de production d’hydrogène potentiellement viable est l’électrolyse de l’eau si tant est que l’électricité utilisée soit d’origine renouvelable ou nucléaire. La production d’hydrogène doit donc assumer actuellement un mauvais bilan carbone. En France, la production d’hydrogène est à l’origine de 2 à 3% des émissions annuelles de gaz à effet de serre (soit environ 10 MtCO2/an). [1]

Le second problème est d’ordre technologique et économique : pour re-transformer le dihydrogène en électricité mobilisable à tout moment, il faut produire en grande quantité et à prix compétitif les piles à combustible. Ce problème est récurrent lors de la mise en place de nouvelles technologies. Au début, ces technologies sont chères et réservées à une minorité aisée, puis les méthodes de production se spécialisent et permettent la production en masse, une baisse des prix et la diffusion de ladite technologie. Cependant, le potentiel de l’hydrogène est connu depuis des décennies et le prix de ces technologies est toujours aussi grand car les industries ne misent pas sur l’énergie hydrogène pour le moment. On le constate avec le faible développement du réseau de distribution du dihydrogène, l’exemple ultime étant le nombre de bornes de rechargement pour voiture : il était au nombre de 6 en 2019 dans le monde entier.

De même, pourquoi les voitures à hydrogène qui bénéficient des systèmes de production à grande échelle ne sont-elles pas plus répandues ?
Tout d’abord, car les voitures à hydrogène sont associées à une image négative avec les problèmes d’explosion des moteurs. Cette image est pourtant erronée. En effet, même si le dihydrogène s’enflamme à l’air libre, les batteries à hydrogène sont entourées de Kevlar sécurisé. [3]
Les réels problèmes sont : 
– le prix (75 000 € pour les premiers prix monospace) 
– le rendement énergétique peu efficace :  avec une pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène, vous devez d’abord convertir l’électricité en hydrogène par électrolyse, qui n’est efficace qu’à 75%. Ensuite, le gaz doit être comprimé, refroidi et transporté. Cela entraîne une perte supplémentaire de 10%. Le processus de conversion (hydrogène en électricité par la pile à combustible) n’est efficace qu’à 60%. Enfin, il y a une perte de 5% par le moteur lors de la conduite.  Au total, la perte est de 62%, autrement dit, pour chaque kW d’électricité fourni, on ne récupère que 380 W utiles pour un véhicule à pile à combustible, contre 500 en électrique. [7]
– la taille imposante des batteries alourdissant la voiture

Enfin si l’on réfléchit en termes de pollution et non d’émission de gaz à effet de serre, les batteries des voitures nouvelles générations, aussi bien électriques qu’hybrides ou à hydrogène, sont toutes composées de matériaux rares (lithium, silicium…). Ces derniers sont extraits par des méthodes extrêmement polluantes et destructrices de la biodiversité.
Il nous reste donc de nombreuses innovations à créer pour maintenir la locomotion générale de manière écoresponsable.

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