Il est important de noter qu'actuellement, moins de 2 % de la production mondiale d'hydrogène provient d'électrolyseurs, et une faible part du recyclage de l'énergie. Alors que de nombreuses applications nouvelles, au-delà de l'industrie et de la chimie, devraient utiliser l'hydrogène comme propergol ou solution de stockage d'énergie alternative, il est pertinent d'examiner la situation actuelle et les perspectives pour les années à venir.
Peut-on atteindre 100 % d'hydrogène vert dès aujourd'hui ?
La production mondiale d'hydrogène est estimée à environ 70 millions de tonnes (Mt), principalement à partir de gaz naturel (75 %) et de charbon (23 %). Produire cette quantité d'hydrogène nécessite une consommation de 205 milliards de mètres cubes de gaz naturel (6 % de la consommation mondiale) et de 107 Mt de charbon (2 % de la consommation mondiale). Avec les méthodes de production actuelles, la production mondiale d'hydrogène est responsable de 830 Mt d'émissions de CO₂ par an. Produire de l'hydrogène à partir de combustibles fossiles sans captage du CO₂ émis lors de la production est la méthode la plus économique (1 $/kgH₂).
Ainsi, à la lumière du dernier rapport du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), qui démontre que les émissions de gaz à effet de serre liées aux activités humaines sont responsables d'un réchauffement d'environ 1,1 °C depuis 1850-1900, et selon les estimations moyennes pour les 20 prochaines années, la température mondiale devrait atteindre, voire dépasser, 1,5 °C, avec des conséquences dramatiques pour le climat et la société, il apparaît clairement qu'accélérer la transition vers un hydrogène propre est crucial.
Si la totalité de la production actuelle d'hydrogène (70 millions de tonnes) provenait de l'électrolyse de l'eau (qui utilise de l'eau et de l'électricité pour produire de l'hydrogène), elle engendrerait une demande annuelle d'électricité de 3 600 térawattheures (TWh), soit plus que la production annuelle d'électricité de l'Union européenne. La quantité d'eau nécessaire à la production d'H₂ par électrolyse serait de 617 millions de mètres cubes, soit environ le double de la consommation actuelle d'eau pour la production d'hydrogène à partir de gaz naturel. De plus, la quantité d'énergie renouvelable disponible pour la production d'hydrogène reste marginale et limitée aux applications à petite échelle. Le défi est immense, et c'est ce qui passionne les ingénieurs.
Comment obtenir de l'hydrogène propre en grandes quantités ?
Avec le déploiement de l'hydrogène comme source d'énergie alternative et la forte exigence de réduction de l'empreinte carbone mondiale lors du processus de conversion, la production, le stockage et la distribution de l'hydrogène doivent être optimisés.
Un rapport de Goldman Sachs de septembre 2020 sur l'hydrogène vert estimait que d'ici 2050, l'Europe devra multiplier par 8 000 sa capacité d'électrolyse par rapport aux niveaux actuels. Parallèlement, les ingénieurs devront intensifier leurs recherches afin de rendre les électrolyseurs très performants, les technologies telles que les électrolyseurs à oxyde solide haute température (SOE) étant particulièrement prometteuses.
Figure 1 : Carte mondiale des vallées de l’hydrogène (mai 2021) – Source : PRBX/FCH
Pour atteindre l’objectif de 2050 et le volume nécessaire d’hydrogène vert, plusieurs initiatives régionales ont été entreprises à travers le monde. Lancée il y a plus de dix ans, l’Europe est bien avancée et, en janvier 2021, la plateforme « Hydrogen Valley » a été créée pour interconnecter les projets régionaux et partager les meilleures pratiques. Commanditée initialement par l’Union européenne et développée par l’entreprise commune Piles à combustible et hydrogène, la plateforme « Mission Innovation Hydrogen Valley » a suscité un vif intérêt au sein de la communauté internationale et regroupe désormais des projets du monde entier (Figure 1).
Quand la Vallée de l'Hydrogène devient réalité :
En Europe, le nord des Pays-Bas est la première région à recevoir une subvention pour sa Vallée de l'Hydrogène. La demande de subvention du nord des Pays-Bas a été approuvée par l'entreprise commune Piles à combustible et hydrogène (FCH JU) de la Commission européenne, et en janvier 2020, le projet de six ans intitulé « Applications de l'énergie H2 dans les environnements de vallée du nord des Pays-Bas », connu sous le nom de HEAVENN, a été lancé.
Figure 2 : Projet NortH2 et étapes clés jusqu'en 2050 - Source : PRBX/GASUNIE
Le projet HEAVENN est unique en son genre car il englobe et relie l'ensemble de la chaîne de valeur de l'hydrogène au sein d'une même région géographique. Il regroupe 31 acteurs publics et privés issus de six pays européens. Les projets comprennent la production à grande échelle d'hydrogène vert comme matière première pour l'industrie, le stockage, le transport et la distribution de l'hydrogène, ainsi que son application pour l'approvisionnement énergétique dans l'industrie, le bâtiment et les transports.
Compte tenu du nombre de projets développant des « vallées de l'hydrogène » à travers le monde, il ne fait aucun doute que le volume d'hydrogène vert augmentera rapidement, tandis que son prix diminuera pour atteindre moins de 1,5 €/kg.
Le projet NortH2 illustre parfaitement ce qu'est une « vallée de l'hydrogène » et son écosystème. Situé à Eemshaven, dans le nord des Pays-Bas, ce projet vise à produire un million de tonnes d'hydrogène par an grâce à un parc éolien offshore. Comme le montre la figure 2, NortH2 englobe la production, le stockage, le transport par pipeline et la distribution de l'hydrogène.
Figure 03 : Vue d’ensemble simplifiée du stockage d’énergie – Source PRBX/IEA
L'hydrogène pourrait offrir des solutions pour le stockage d'énergie à long terme.
L'expérience NortH2 constitue également un excellent cas d'utilisation pour évaluer le potentiel de l'hydrogène dans le stockage d'énergie, répondant ainsi à un problème rencontré par de nombreuses exploitations d'énergies renouvelables lorsqu'elles produisent un surplus d'électricité qu'elles ne peuvent injecter dans le réseau, comme c'est le cas en Australie et pour les grands parcs éoliens.
Bien que la conversion des énergies renouvelables en hydrogène par électrolyse, puis de l'hydrogène en électricité par piles à combustible, ne soit pas encore très efficace, des progrès ont été réalisés et la recherche avance rapidement. Comme le montre la figure 3, une fois stocké, l'hydrogène reste disponible beaucoup plus longtemps et en très grandes quantités que les autres méthodes. Les piles à combustible peuvent être activées à la demande pour alimenter le réseau lors des pics de consommation.
L'expérience NortH2 n'est qu'un exemple parmi tant d'autres démontrant comment l'hydrogène contribuera à la production d'énergie décarbonée et au stockage d'énergie à haute capacité.
Références :
Powerbox (PRBX)
Entreprise commune Piles à combustible et hydrogène
Applications de l'énergie hydrogène dans les environnements de vallée du nord des Pays-Bas
À propos de Powerbox
Fondée en 1974, basée en Suède et présente dans 15 pays sur quatre continents, Powerbox sert des clients dans le monde entier. L'entreprise se concentre sur quatre grands marchés : l'industrie, le médical, le transport ferroviaire et la défense. Elle conçoit et commercialise pour ces marchés des systèmes de conversion de puissance haut de gamme destinés à des applications exigeantes. La mission de Powerbox est de mettre son expertise au service de la compétitivité de ses clients en répondant à tous leurs besoins énergétiques. Chaque aspect de son activité est guidé par cet objectif, de la conception de composants de pointe à la fourniture d'un service client d'excellence. Powerbox est reconnue pour ses innovations techniques qui réduisent la consommation d'énergie et sa capacité à gérer l'intégralité du cycle de vie de ses produits tout en minimisant son impact environnemental. Powerbox fait partie du groupe Cosel.
À propos de l'auteur :
Patrick Le Fèvre, directeur marketing et communication chez Powerbox, est un expert en marketing et ingénieur certifié, fort de 35 ans d'expérience dans le domaine de l'électronique de puissance. Pionnier dans la commercialisation de nouvelles technologies, telles que l'énergie numérique, il a également contribué à des initiatives techniques visant à réduire la consommation d'énergie. Auteur de nombreux livres blancs et articles présentés lors de conférences internationales majeures sur l'électronique de puissance, ces publications ont été relayées plus de 350 fois dans la presse internationale. Il participe par ailleurs à divers forums environnementaux, où il partage son expertise et ses connaissances en matière d'énergies propres.
Patrick Le Fèvre,
directeur du marketing et de la communication chez Powerbox
