Pour nous, ingénieurs en électronique de puissance, à l'instar de la vision de Jules Verne, l'énergie hydrogène est obtenue par électrolyse de l'hydrogène et de l'oxygène, suivie du déploiement d'une pile à combustible pour produire de l'électricité. En réalité, la production mondiale d'hydrogène par électrolyse représente moins de 4 %, car plus de 94 % est issue de ressources fossiles, principalement le charbon et le gaz, la production à partir de la biomasse et d'autres sources étant négligeable et ne représentant que 2 %.
70 % de la production mondiale totale d'hydrogène est extraite du gaz naturel, plus précisément du méthane. Cette extraction est réalisée par un procédé appelé « reformage à la vapeur », qui utilise de la vapeur à haute température (700 °C à 1 000 °C) pour produire de l'hydrogène. Si le CO₂ n'est pas capturé, le procédé de reformage à la vapeur est responsable d'importantes émissions de gaz à effet de serre. On estime que la production mondiale d'hydrogène rejette environ 830 millions de tonnes de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.
C'est dans ce contexte que nous en sommes aujourd'hui, avec l'énigme « hydrogène vert : mythe ou réalité ? » qui alimente le débat. Mais les choses changent, et nous nous rapprochons de plus en plus de la vision de Jules Verne.
Les nuances de l'hydrogène :
Afin de simplifier la compréhension des différentes méthodes de production et de leur impact environnemental, l'industrie a mis en place un système de couleurs pour l'hydrogène. En pratique, on utilise généralement quatre grandes catégories : brun, gris, bleu et vert. Des sous-catégories apparaissent parfois ; par exemple, l'hydrogène produit par électrolyse d'électricité alimentée par des centrales nucléaires est parfois appelé « rose », mais cette appellation est plus anecdotique que réelle.
Hydrogène brun :
La couleur brune est attribuée à l’hydrogène extrait du charbon par gazéification. Ce procédé transforme le charbon en un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et de dioxyde de carbone. La gazéification est réalisée à très haute température (> 700 °C) sans combustion, en utilisant une quantité contrôlée d’oxygène et/ou de vapeur d’eau. Le monoxyde de carbone réagit ensuite avec l’eau pour former du dioxyde de carbone et davantage d’hydrogène par une réaction de conversion gaz-eau. Le gaz résultant de ce procédé est appelé gaz de synthèse. L’hydrogène produit par cette méthode est connu sous le nom d’hydrogène brun (lignite) ou noir (bitumineux) selon le type de charbon utilisé. Cependant, ce procédé est très polluant, car le CO₂ et le monoxyde de carbone ne peuvent être réutilisés et sont rejetés dans l’atmosphère.
Hydrogène gris :
Aujourd’hui, l’hydrogène gris représente la majeure partie de la production. Plus de 70 % de l’hydrogène produit dans le monde est classé comme hydrogène gris. Le procédé de production le plus courant utilise le reformage du méthane à la vapeur (SMR). Dans ce procédé, la vapeur d’eau sous haute pression réagit avec le méthane, produisant de l’hydrogène et du CO₂, un gaz à effet de serre. Ce procédé génère environ 9,3 kg de CO₂ par kg d’hydrogène, ce qui est moins que pour l’hydrogène brun, mais représente tout de même une quantité considérable lorsqu’elle est rejetée dans l’atmosphère.
Hydrogène bleu :
Lorsque le CO₂ produit par les méthodes décrites ci-dessus est capturé et stocké sous terre grâce au captage et au stockage industriel du carbone (CSI), le procédé de fabrication est moins nocif pour l’environnement, bien qu’il soit plus coûteux et moins efficace que les méthodes conventionnelles. L’hydrogène bleu est considéré comme une étape importante de la transition énergétique vers l’hydrogène vert, et la grande majorité des nouvelles unités de production sont soumises à des contrôles stricts quant à leur impact environnemental. Cependant, malgré des améliorations significatives par rapport à l’hydrogène brun et à l’hydrogène gris, entre 10 et 20 % du CO₂ ne peut être capturé et est rejeté.
Hydrogène vert :
À l'échelle mondiale, la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est très marginale (moins de 4 %), mais c'est la technique la plus connue, dont certains d'entre nous se souviennent peut-être de leurs cours de chimie. L'hydrogène est produit grâce à l'électricité, par dissociation des molécules d'H₂O en hydrogène et en oxygène. Dans le cas de l'hydrogène vert, l'électricité est issue de sources d'énergie renouvelables (moins de 1 %). Dans ce procédé, les électrolyseurs sont essentiels et sont utilisés depuis des décennies avec un rendement moyen de 73 % (contre 65 % pour le reformage à la vapeur). Concernant l'approvisionnement énergétique, il est clair qu'améliorer ce rendement est crucial pour réduire la consommation et les coûts énergétiques. Des recherches intensives sont menées à travers le monde pour atteindre un rendement de conversion de 95 %, un objectif que nous sommes en passe d'atteindre.
L’hydrogène en Europe : situation actuelle.
Nous sommes tous conscients des enjeux climatiques et de l’Accord de Paris, adopté le 12 décembre 2015 par 196 États parties lors de la COP21 à Paris. Cet accord, ratifié, est entré en vigueur le 4 novembre 2016. L’Accord de Paris vise à tirer pleinement parti du développement et du transfert de technologies pour renforcer la résilience face au changement climatique et réduire les émissions de gaz à effet de serre.
Face à ces défis, la Commission européenne a annoncé en décembre 2019 le « Pacte vert pour l’Europe », avec pour objectif de transformer l’UE en une société juste et prospère, dotée d’une économie moderne, économe en ressources et compétitive, et capable d’atteindre la neutralité carbone d’ici 2050 (figure 1). Le Pacte vert pour l’Europe est également essentiel face à la pandémie de COVID-19. Un tiers des 1 800 milliards d’euros d’investissements du plan de relance « NextGenerationEU » et du budget septennal de l’UE financera le Pacte vert pour l’Europe.
Pour atteindre cet objectif, de nombreuses initiatives ont été lancées, dont l'élaboration et le déploiement d'une stratégie européenne pour l'hydrogène. Publiée en juillet 2020, cette stratégie définit une vision de la manière dont l'UE peut faire de l'hydrogène propre une solution viable pour la décarbonation progressive de divers secteurs, en installant au moins 6 GW d'électrolyseurs d'hydrogène renouvelable dans l'UE d'ici 2024 et 40 GW d'ici 2030.
Une coordination étroite entre les pouvoirs publics, l'industrie, la société civile et la communauté scientifique est essentielle à la réussite de cette stratégie. Plusieurs partenariats ont été mis en place afin de favoriser les synergies et la mise en œuvre des stratégies.
L’Alliance européenne pour l’hydrogène propre :
Lancée en juillet 2020 dans le cadre de la nouvelle stratégie industrielle pour l’Europe, l’Alliance européenne pour l’hydrogène propre (ECH2A) s’inscrit dans la stratégie hydrogène pour une Europe climatiquement neutre.
L’ECH2A vise à développer et à déployer l’hydrogène comme vecteur énergétique viable et compétitif en Europe. Elle soutient la mise en œuvre de cette stratégie en œuvrant au développement d’une chaîne de valeur hydrogène complète et accessible à travers l’UE. Cet objectif sera atteint, entre autres, grâce à un programme d’investissement et un pool de projets, ainsi qu’en mobilisant des ressources et des actions pour installer des électrolyseurs d’hydrogène renouvelables afin d’atteindre les objectifs de 6 GW et 40 GW.
En avril 2021, la Commission européenne a invité les plus de 1 000 membres de l’ECH2A à soumettre des projets de technologies et de solutions hydrogène renouvelables et bas carbone. Le deuxième Forum européen de l'hydrogène s'est tenu en juin 2021 et a enregistré un nombre impressionnant de 1 052 projets, dont 997 répondaient aux critères d'éligibilité. Ce chiffre témoigne du fort engagement de l'industrie européenne en faveur de l'accélération du développement de l'hydrogène en Europe.
L’entreprise commune Piles à combustible et hydrogène de l’UE.
Consciente de l’importance du développement d’électrolyseurs performants, la Commission européenne a facilité la création de la Plateforme technologique européenne pour l’hydrogène et les piles à combustible en 2003. Son objectif était de fédérer la recherche publique et privée et de lancer des initiatives pour accélérer le développement de technologies performantes pour les piles à combustible et l’hydrogène. S’appuyant
sur cette initiative, le Conseil de l’Union européenne a créé en mai 2008 l’entreprise commune Piles à combustible et hydrogène (FCH) afin de contribuer à la mise en œuvre du septième programme-cadre, et notamment aux thèmes spécifiques de « Coopération » pour « Énergie », « Nanosciences, nanotechnologies, matériaux et nouvelles technologies de production », « Environnement (y compris le changement climatique) » et « Transports (y compris l’aéronautique) ».
Parmi les projets et initiatives, une étude particulièrement intéressante, commandée par les entreprises communes Clean Sky 2 et Fuel Cells & Hydrogen 2, se distingue par son intérêt pour l’utilisation potentielle de l’hydrogène dans l’aviation. L'utilisation de l'hydrogène dans l'aéronautique nécessitera d'importantes innovations techniques et de nouvelles infrastructures, mais elle est considérée comme une avancée majeure pour la réduction des émissions de CO2 du secteur aérien. Le constructeur aéronautique Airbus a participé à cette étude, et il convient de souligner son ambition de développer le premier avion commercial zéro émission au monde d'ici 2035 (Figure 02).
De la petite à la grande échelle, l'hydrogène progresse.
Pas à pas, avec constance et certitude, l'hydrogène vert devient une réalité et le nombre d'électrolyseurs installés augmente rapidement. Il serait évidemment difficile de recenser tous les projets, mais il est utile d'en mentionner quelques-uns pour illustrer la situation actuelle.
Suède – Mariestad ElectriVillage.
Située dans le sud de la Suède, sur les rives du lac Vänern, la municipalité de Mariestad a développé un concept visant à créer un écosystème énergétique durable basé sur les énergies renouvelables et l'hydrogène. Le projet initial prévoyait un vaste réseau de panneaux solaires alimentant des électrolyseurs qui produiraient de l'hydrogène pour une station de ravitaillement autonome destinée aux voitures et aux véhicules utilitaires. Tirant parti du large éventail de possibilités offertes par cette technologie, la station pourrait également utiliser l'hydrogène stocké pour alimenter une pile à combustible et produire de l'électricité. L'oxygène issu de la dissociation de l'hydrogène dans les électrolyseurs est capturé et stocké pour des applications médicales, industrielles ou agricoles. Cette station autonome est un bon exemple de ce qui pourrait être déployé à plus grande échelle et même pour produire de l'hydrogène destiné à d'autres véhicules, tels que les trains de banlieue (illustration 03).
Allemagne – Wesseling : Le plus grand électrolyseur PEM de l’UE.
Dans le cadre du consortium européen REFHYNE et grâce à un financement européen via l’entreprise commune Piles à combustible et hydrogène (FCH), les plus grands électrolyseurs d’eau à membrane échangeuse de protons (PEM) d’Europe sont entrés en service au sein du parc énergétique et chimique de Shell en Rhénanie, près de Cologne. Ces électrolyseurs rhénanes utiliseront de l’électricité renouvelable pour produire jusqu’à 1 300 tonnes d’hydrogène vert par an, et il est prévu d’étendre leur capacité de 10 à 100 mégawatts (figure 4).
Ces deux exemples illustrent l’ampleur des initiatives en faveur de l’hydrogène en Europe et, surtout, compte tenu du grand nombre de projets, positionnent l’Europe comme un acteur majeur de la transition énergétique et de la décarbonation de l’industrie.
En conclusion,
après des décennies d'intérêt pour l'hydrogène, nous sommes enfin entrés dans une nouvelle ère. L'Europe s'est engagée en faveur de l'hydrogène il y a plus de 20 ans, et le Pacte vert pour l'Europe a stimulé la recherche, la coopération et le déploiement de cette technologie. Il ne fait aucun doute que l'Europe a réalisé des progrès considérables pour atteindre l'objectif de 2050, et d'autres pays accélèrent également leurs stratégies en matière d'hydrogène. Aux États-Unis, sous l'impulsion de Joe Biden, une initiative importante est en cours. Comme l'a annoncé le Département de l'Énergie américain (DOE), une subvention de 52,5 millions de dollars financera 31 projets visant à développer les technologies de l'hydrogène propre de nouvelle génération et à soutenir l'initiative « Hydrogen Energy Earthshot », récemment annoncée par le DOE, pour réduire les coûts et accélérer les progrès dans le secteur de l'hydrogène propre. Ces initiatives témoignent clairement que l'hydrogène est un élément clé de la stratégie de transition énergétique des États-Unis.
L’hydrogène n’est plus un mythe ni la vision de Jules Verne : « L’eau sera un jour utilisée comme combustible, l’hydrogène et l’oxygène qui la constituent, utilisés seuls ou ensemble, fourniront une source inépuisable de chaleur et de lumière, d’une intensité dont le charbon est incapable » deviendra une réalité.
Références :
Powerbox (PRBX) :
https://www.prbx.com/
Pacte vert pour l'Europe :
https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_en
Hydrogène de l'UE :
https://ec.europa.eu/energy/topics/energy-system-integration/hydrogen_en
Alliance européenne pour l'hydrogène propre
https://www.ech2a.eu/
Entreprise commune de l'UE sur les piles à combustible et l'hydrogène
https://www.fch.europa.eu/
Mariestad ElectriVillage (vidéo Youtube)
https://youtu.be/ryfOEIqQTco?list=PLT-QkyUkOkuuT_PZU-QBx40juY6jmWva1
AIRBUS ZEROe
https://www.airbus.com/innovation/zero-emission/hydrogen/zeroe.html
Allemagne – Usine d'électrolyseurs PEM REFHYNE de Wesseling
https://www.shell.com/energy-and-innovation/new-energies/hydrogen.html
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 d'énergie 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 orienté vers cet objectif, de la conception des composants de pointe qui constituent ses produits 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 est une société du groupe Cosel.
À propos de l'auteur :
Patrick Le Fèvre, directeur marketing et communication chez Powerbox, est un ingénieur hautement qualifié et expérimenté, fort de 35 ans de succès dans le domaine de l'électronique de puissance. Pionnier dans la commercialisation de nouvelles technologies telles que l'énergie numérique et les initiatives techniques visant à réduire la consommation d'énergie, il a rédigé et présenté de nombreux livres blancs et articles lors des plus grandes conférences internationales sur l'électronique de puissance. Ces publications ont été diffusées plus de 350 fois dans la presse internationale. Il participe également 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
