Hydrogène, à la poursuite du diamant vert

L’hydrogène représente à lui seul 63% des atomes du corps humain. En effet, celui-ci est composé majoritairement d’eau, dont la molécule H₂O elle-même composée de deux atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène. Plus généralement, il faut savoir que l’hydrogène est l’élément le plus abondant de l’univers, il en représente 75% de sa masse. Autant dire que l’hydrogène est véritablement omniprésent et incontestablement inépuisable. En outre, il peut être utilisé comme substitut aux énergies fossiles traditionnelles, ce qui fait actuellement de lui le candidat idéal pour mener le combat de la transition énergétique et de la lutte contre les émissions de carbone.

Seulement voilà, il y a quand même un défaut… Cet élément chimique ne se trouve, à quelques rares exceptions près, pas à l’état naturel sur notre planète. C’est pour cette raison que l’hydrogène n’est pas considéré comme une énergie en soi mais plutôt comme un vecteur énergétique. En effet, il nécessite de nombreuses étapes de transformations successives depuis sa production jusqu’à son utilisation finale.

Et c’est là où le bât blesse, car cette succession de transformations pour le rendre exploitable, au-delà de son coût, réduit considérablement son rendement énergétique et peut même avoir un impact carbone important sur l’environnement. C’est la raison pour laquelle l’hydrogène peut passer du « vert » si sa production est dite « propre », au « gris » si son processus de fabrication occasionne des émissions de CO2.

Face aux enjeux de la transition énergétique, l’état français vient de faire le pari de la conquête de l’hydrogène décarboné en annonçant en septembre dernier, un plan doté de 7 milliards d’euros d’investissement sur 10 ans.

Un effort qu’il convient de saluer d’autant que l’Europe dans son ensemble s’investit dans la conquête de ce diamant vert. Cela pourrait avoir un effet de levier prometteur pour notre industrie et notre environnement. Et même si ce choix ne fait pas toujours l’unanimité dans les orientations à prendre pour le futur mix énergétique, gageons sur l’ingéniosité de nos chercheurs pour découvrir les solutions d’avenir qui renforceront la compétitivité de l’hydrogène face aux énergies fossiles.

Tout d’abord, quelques rappels pour une meilleure compréhension des enjeux.

La consommation mondiale d’hydrogène s’élevait en 2018 à 74 Millions de tonnes dont 1 Million de tonnes pour la France, l’hydrogène étant principalement utilisé de nos jours pour la production d’ammoniac (engrais) ou de méthanol, tout en servant également au raffinage des produits pétroliers. (source IFPEN)

Comme nous l’évoquions en introduction, pour produire de l’hydrogène, il faut tout d’abord l’extraire des ressources primaires dans lesquelles il se trouve. Pour cela, il existe différentes techniques. Les 2 d’entre elles les plus couramment utilisées sont peu onéreuses mais plutôt polluantes. La première, le reformage du gaz naturel à la vapeur d’eau, consiste à faire réagir du méthane avec de l’eau pour obtenir un mélange contenant de l’hydrogène et du CO₂. La deuxième, dite de gazéification, permet de produire par combustion, un mélange d’hydrogène et de CO₂à partir de charbon ou de biomasse. Des solutions qui émettent trop de CO₂ pour être retenues dans un avenir décarboné.

En revanche, l’électrolyse de l’eau est quant à elle la technique qui retient toutes les attentions car celle-ci est dite propre. En effet l’électrolyse de l’eau est le procédé qui permet à l’aide d’un courant électrique de transformer l’eau en hydrogène et en oxygène. Ce mode de production est parfaitement écologique dès lors que l’électricité nécessaire à son fonctionnement est issue des énergies renouvelables vertes, comme l’éolien ou le solaire. Cette technologie est pour l’heure beaucoup moins répandue car nettement plus coûteuse (2 à 3 fois plus chère que le reformage du gaz naturel). Néanmoins c’est dans cette voie que l’état français s’est engagé pour produire un hydrogène « propre », en se fixant 3 priorités :

1. Décarboner l’industrie en faisant émerger une filière française de l’électrolyse capable d’atteindre une capacité de production de 6,5 GW par les électrolyseurs installés d’ici 2030
2. Développer l’hydrogène décarboné pour le fonctionnement des véhicules lourds
3. Soutenir la recherche, l’innovation et le développement de compétences afin de favoriser les usages de demain

Une stratégie dans laquelle l’état s’engage avec un investissement de 7 milliards d’euros prévus sur 10 ans. Nos voisins, avec en tête l’Allemagne, l’Espagne et le Portugal mettent en œuvre une démarche équivalente avec des budgets plus ou moins similaires. D’ailleurs, selon « Les Echos », Bruxelles soutient cet effort et envisage de porter la part de l’hydrogène dans le mix énergétique européen de 2% à 14% à l’horizon 2050, pour un investissement estimé entre 180 et 470 milliards pour les 30 prochaines années.

C’est sans doute le prix à payer pour nous permettre de nous hisser à une place de choix sur le marché international de l’hydrogène. Car la compétition fait rage et la Chine grâce avec ses coûts de production inégalables, et les économies d’échelle qu’elle a déjà réalisées sur son marché intérieur, produit aujourd’hui les électrolyseurs les moins chers du monde.  Selon un rapport de l’IFRI, l’ambition chinoise est d’accroître sa production d’hydrogène à faible teneur en carbone et de développer son utilisation dans le domaine des transports, de la sidérurgie, de la cimenterie ou du stockage de l’électricité. Le pays se donne pour objectif 1 million de véhicules fonctionnant avec des piles à combustible à hydrogène en circulation d’ici 2030. Une première étape en vue d’atteindre en 2060, la neutralité carbone annoncée par le président Xi Jinping.

Mais au-delà des discours politiques et des bonnes intentions, le véritable challenge de l’hydrogène « vert » sera dans les années à venir de devenir compétitif en termes de prix par rapport aux énergies fossiles. Il faudrait pour cela que le coût de production de l’hydrogène propre, qui se situe aujourd’hui aux environs de 5 euros par kg, puisse atteindre le prix actuel de l’hydrogène gris (produit avec du gaz naturel) de 1 à 1,50 euro le kg.

Autres enjeux pour que cette révolution verte soit un succès : parvenir à développer simultanément les moyens de production, de stockage et de distribution pour servir de manière efficace les différents usages qui sont eux-mêmes sur le point de voir le jour. C’est une filière dans son ensemble qu’il faut inventer et coordonner avec anticipation pour ne pas compromettre son développement.

La jeune entreprise française LHYFE a bien identifié l’enjeu dans sa globalité. Elle propose de développer avec une approche très territoriale, des modules de production d’hydrogène vert basés sur l’électrolyse de l’eau. Leur technologie permet de combiner toutes les sources naturelles d’énergies électriques qu’elles soient éoliennes, photovoltaïques ou hydrauliques, issues de biomasse solide, de biogaz, ou de la géothermie pour permettre le fonctionnement de l’électrolyseur. Des ressources variées et complémentaires qui permettent de s’adapter à toutes les typologies de région et de pallier l’intermittence de certaines énergies renouvelables météo-dépendantes comme l’éolien ou le solaire. L’implantation en local permet également à l’entreprise d’adresser son marché au plus près et de réduire l’impact de la distribution de son produit. Un cycle «vert»ueux qui semble une réponse adaptée en circuit court et un bel exemple d’approche globale. Toutefois, il faudra réussir à assurer le déploiement industriel à plus grande échelle de ce type de solution pour que la promesse de la révolution verte puisse être atteinte. Nous pouvons compter sur de talentueux ingénieurs en génie industriel pour y parvenir, surtout si l’investissement et les perspectives de marché sont avérés.

Le monde de la recherche doit également être mis à contribution, car le développement des technologies de production, de stockage ou d’utilisation de l’hydrogène « propre » n’en est qu’à ses débuts.

De nombreux verrous technologiques restent encore à résoudre et certaines découvertes en laboratoire mériteraient sans nul doute d’être poussées plus en avant. A titre d’exemple, quelques laboratoires à travers le monde étudient actuellement la bio production d’hydrogène. Il s’agit de solutions alternatives de production qui utilisent la voie biologique comme par exemple le travail de fermentation des cyanobactéries pour fabriquer naturellement de l’hydrogène à partir de nos déchets. Ces travaux de recherche très amonts, semblent prometteurs et pourraient rapidement se retrouver sur le devant de la scène par l’arrivée massive de capitaux dans le domaine.

L’histoire a souvent démontré que les grands défis étaient atteints lorsqu’on s’en donnait les moyens. En 1974, à la suite du choc pétrolier, la France avait mis 13 milliards de francs sur la table pour mettre en œuvre le plan du « tout nucléaire ». Un investissement qui a propulsé la France parmi les leaders mondiaux de la production électrique nucléaire et lui permet encore à ce jour de fournir en toute indépendance 75% de ses besoins en électricité au niveau national. L’enjeu environnemental n’était pas encore entré à ce point dans les mœurs…

Espérons qu’avec l’impulsion de la transition énergétique, l’hydrogène puisse devenir un nouveau moteur de l’économie. Mais au-delà de la création de valeur, ce serait une belle occasion de montrer à quel point l’innovation peut être aussi un excellent accélérateur du bien sociétal.

Arnaud LE MAOUT, Consultant Innovation Mer & Cybersécurité – Le Village by CA Finistère