L’hydrogène, solution miracle pour lutter contre le réchauffement climatique ?
L’hydrogène est devenu depuis quelques années l’objet de tous les fantasmes. En effet, l’hydrogène, atome pourtant connu depuis des siècles, semble soudain être devenu la solution miracle pour lutter contre le réchauffement climatique.
Afin que tout le monde puisse avoir un avis éclairé sur la question, il nous semblait important de revenir sur les éléments principaux de ce débat et de donner les clés de lecture nécessaires à la compréhension des enjeux. Cet article a vocation à présenter les bases du débat et revient notamment sur la production, l’utilisation et l’usage de l’hydrogène.
Hydrogène, de quoi parle-t-on ?
L’hydrogène (H2) est un gaz composé de 2 atomes d’hydrogène. Si l’on veut être précis, on devrait donc parler de dihydrogène et non d’hydrogène, mais le terme hydrogène est largement utilisé pour cette source d’énergie et c’est celui qui sera employé dans cet article.
L’hydrogène est présent partout dans l’univers, c’est d’ailleurs la molécule qui y est la plus commune et qui constitue plus de 90% des atomes. Pour autant, l’hydrogène est très peu présent sous la forme H2 à la fois dans la croûte terrestre et dans l’atmosphère. On trouve l’hydrogène sous d’autres formes comme dans l’eau (H2O), le méthane (CH4) et de manière générale dans la plupart des molécules d’hydrocarbures (sous la forme CxHy).
L’hydrogène n’est pas une énergie mais un vecteur d’énergie, comme l’électricité. Cette nuance est importante puisqu’elle induit qu’il faut le produire pour l’utiliser. Autrement dit, on ne le trouve pas à l’état naturel, même si des recherches à ce sujet sont en cours.
En effet, par opposition aux énergies fossiles comme le charbon, le gaz ou le pétrole, l’hydrogène n’est pas considéré comme une énergie primaire dans la mesure où il doit être produit en l’extrayant de ses composés. En d’autres termes, il faut séparer l’hydrogène des autres molécules qui le constituent et cette séparation crée une réaction qui libère une forte quantité d’énergie. Ce sont d’ailleurs les caractéristiques physiques particulières de l’hydrogène qui rendent cette source d’énergie exceptionnelle sur le plan énergétique.
En particulier :
- 1 kilo d’hydrogène contient autant d’énergie que 3 kilos d’essence;
- La combustion d’hydrogène n’émet pas de CO2;
- L’hydrogène peut être stocké et pourrait donc constituer une source potentielle de stockage qui permettrait de compenser l’intermittence des énergies renouvelables
Comment est-il produit et pour quels usages ?
La France produit près de 1 million de tonnes d’hydrogène chaque année, ce qui représente environ 1,5% de la production mondiale. Le problème de cette production est qu’elle est réalisée à 95% à partir d’énergies fossiles. La technique de production la plus utilisée est celle du vaporeformage du méthane. Elle consiste à créer de l’hydrogène à partir de méthane et de vapeur d’eau. Avec cette technique, 10 kg de CO2 sont émis pour 1 kg d’hydrogène produit.
La production d’hydrogène à partir d’énergies fossiles engendre donc des émissions considérables de gaz à effet de serre. Rien qu’en France, la production d’hydrogène est responsable de l’émission de 9 Mt de CO2, soit environ 2 % des émissions nationales ! Les usages de cet hydrogène ne sont pas moins émetteurs puisqu’il sert en priorité au raffinage pétrolier (60%), à la production d’ammoniac et d’engrais (25%) et à la chimie (10%).
Rien qu’en France, la production d’hydrogène est responsable de l’émission de 9 Mt de CO2, soit environ 2 % des émissions nationales !
Si 95% de l’hydrogène est produit à partir d’énergies fossiles, c’est principalement en raison du faible coût de cette technique. En effet, le vaporeformage est le procédé le plus économique avec un coût d’environ 1,5€/kg d’hydrogène produit contre près de 4 à 6€/kg pour l’hydrogène bas-carbone.
Il est également intéressant de noter que le prix de l’hydrogène produit à partir d’énergie fossile reste près de 3 fois plus cher que le prix du gaz naturel.
Ainsi, si les techniques alternatives de production d’hydrogène sont restées à un niveau marginal jusqu’à maintenant ce sont davantage pour des raisons de coût que de contraintes techniques.
Pourquoi un tel engouement maintenant pour l’hydrogène ?
Si l’hydrogène fait tant parler de lui ces derniers temps, c’est parce que les industriels semblent prêts à industrialiser la production d’hydrogène bas-carbone et les pouvoirs publics à fournir les financements nécessaires.
La production d’hydrogène bas-carbone se ferait grâce à une technique particulière : l’électrolyse alcaline de l’eau, souvent abrégée en électrolyse de l’eau, qui consiste à casser des molécules d’eau pour séparer et extraire de l’hydrogène.
Pourquoi cette méthode de production est-elle intéressante ? Principalement, car elle ne fait appel qu’à de l’eau et de l’électricité. Si l’électricité est elle-même produite à partir de source décarbonée, comme les énergies renouvelables ou le nucléaire, cela permettrait de produire de l’hydrogène sans émettre directement de CO2. Il est cependant primordial d’utiliser de l’électricité bas-carbone pour produire cet hydrogène, sous peine de voir un gain nul en termes d’émissions de CO2 par rapport aux méthodes de production d’hydrogène ayant recours aux énergies fossiles.
Sur ce sujet, Maxence Cordiez, ingénieur dans le secteur de l’énergie, met en avant les limites des certificats garantissant l’origine de l’électricité qui pourraient servir à produire de l’hydrogène à bas coût à partir de moyens de production d’origine fossile et fausser de manière artificielle la compétitivité réelle du marché de l’hydrogène bas-carbone.
Pour rappel, voici les émissions totales de CO2 par kWh pour les différentes sources d’énergie utilisées lors de la production d’électricité selon le Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC) :
| Source d’énergie utilisée pour produire de l’électricité | Valeur médiane retenue pour les émissions de CO2 (gCO2eq/kWh) par le GIEC |
|---|---|
| Charbon | 820 |
| Pétrole | 650 |
| Gaz | 490 |
| Biomasse seule (non combinée au charbon) | 230 |
| Panneau solaire | 45 |
| Hydroélectricité | 24 |
| Eolien en mer | 12 |
| Nucléaire | 12 |
| Eolien terrestre | 11 |
Le recours à cet hydrogène décarboné permettrait de diminuer les émissions de CO2 dans l’atmosphère. Cela contribuerait également à atteindre l’objectif qui a été fixé dans le cadre de la Stratégie Nationale Bas Carbone (SNBC) pour l’industrie : 53 millions de tonnes émises par an en 2030 contre 80 millions de tonnes émises par an aujourd’hui.
Cependant, en raison du coût plus élevé de cette technique de production, son décollage ne sera permis qu’en raison d’un soutien fort de l’État. C’est dans ce cadre qu’intervient la stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France.
Quelles sont les conditions pour faire décoller la filière hydrogène ?
Pour que l’hydrogène bas-carbone ait un avenir significatif, il faudra que son prix soit compétitif. Pour cela il faut s’intéresser au coût des électrolyseurs qui sont les “machines” permettant de produire de l’hydrogène à partir d’électricité. Les électrolyseurs ont des coûts fixes élevés (investissements liés à la construction et l’installation des électrolyseurs) mais des coûts variables (dépenses liées à l’utilisation des électrolyseurs) relativement faibles. Autrement dit, plus la quantité d’hydrogène produite est grande, moins le prix unitaire (par kilo d’hydrogène produit) sera important.
L’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) a réalisé des simulations de coût d’hydrogène en fonction du degré d’utilisation des électrolyseurs. Si les électrolyseurs fonctionnent moins de 2 000 heures par an, le coût de l’hydrogène varie entre 3$/kg et 8$/kg. En revanche, lorsque les électrolyseurs fonctionnent davantage et produisent pendant 4 000 et 6 000 heures, le coût tend vers 2$/kg. Ce coût de 2$/kg d’hydrogène se rapproche du coût de l’hydrogène produit à partir d’énergies fossiles (1,5€/kg) et pourrait permettre à cette technologie de devenir compétitive d’un point de vue économique.
Ainsi, si l’on veut que l’hydrogène bas-carbone soit compétitif, il faudra que les électrolyseurs produisent avec un rendement maximum. Or, lorsque l’on parle d’hydrogène “vert”, certains souhaiteraient que l’électricité utilisée dans le procédé ne provienne que des énergies renouvelables comme l’éolien ou le solaire. Ces énergies sont par nature intermittentes et connaissent des creux de production en l’absence de vent ou de soleil. En effet, ces deux sources d’énergie ne fonctionnent pas à pleine puissance plus de 4 000 heures par an (2 163 heures/an pour l’éolien en 2019 et 1 183 heures/an pour solaire en moyenne en France sur l’année 2019).
Produire de l’hydrogène uniquement à partir d’électricité issue d’énergies renouvelables irait donc à l’encontre du bon sens économique et augmenterait le coût de l’hydrogène, ce qui risquerait de compromettre son déploiement à grande échelle.
Il apparaît donc primordial d’inclure toutes les énergies bas-carbone, dont le nucléaire, pour la production d’électricité qui servira à produire l’hydrogène. Cela permettrait de maximiser la production, de faire baisser les coûts, et ainsi de décarboner massivement la production d’hydrogène.
La France a intégré le nucléaire dans sa stratégie d’hydrogène bas-carbone ce qui lui confère un avantage stratégique, charge à la Commission Européenne désormais d’en faire de même dans sa feuille de route sur l’hydrogène.
Produire de l’hydrogène uniquement à partir d’électricité issue d’énergies renouvelables irait donc à l’encontre du bon sens économique et augmenterait le coût de l’hydrogène, ce qui risquerait de compromettre son déploiement à grande échelle. Il apparaît donc primordial d’inclure toutes les énergies bas-carbone, dont le nucléaire, pour la production d’électricité qui servira à produire l’hydrogène.
Quels usages privilégier pour l’hydrogène bas-carbone ?
Utiliser le surplus d’électricité des énergies renouvelables pour produire de l’hydrogène est une manière d’utiliser cet excédent mais ne devrait pas être la seule retenue afin de maximiser le potentiel de l’hydrogène comme indiqué précédemment.
Graphique réalisé d’après des données RTE.
Sur ce sujet, un autre point de vigilance est à relever. La France est exportatrice nette d’électricité, c’est-à-dire qu’elle produit plus d’électricité qu’elle n’en consomme. Le surplus d’électricité produit est aujourd’hui exporté mais il sera possible à l’avenir de l’utiliser pour d’autres usages comme la production d’hydrogène ou bien la recharge des batteries des véhicules électriques.
RTE, le gestionnaire du réseau électrique français, a estimé que les usages qui permettent de réduire le plus les émissions de CO2 sont l’utilisation de l’électricité française en premier lieu pour l’export (car l’électricité de nos voisins directs est plus carbonée en raison d’un recours plus important que la France aux énergies fossiles), puis pour la mobilité (autrement dit la recharge des batteries des véhicules électriques qui remplacent des véhicules à diesel ou essence) et enfin pour la production d’hydrogène par électrolyse (qui remplace la production d’hydrogène à partir d’énergies fossiles) .
Ainsi, il faut espérer que nos voisins ferment au plus vite leurs centrales à charbon et au gaz pour que l’utilisation de notre surplus d’électricité soit le plus profitable pour le climat si nous l’utilisons pour d’autres usages que l’export. Avec la situation actuelle, si l’électrolyse se substitue aux 2 usages mentionnés plus haut, le gain de CO2 sera plus faible et donc l’impact sur la réduction des émissions de CO2 sera amoindri.
Il est également important de noter que la nuit, lorsque la demande d’électricité est moins importante, il serait possible d’utiliser une partie des moyens de production non sollicités afin de produire de l’hydrogène sans pour autant réduire nos exportations.
Pour autant, si l’électricité bas-carbone française n’exploitera pas son plein potentiel de réduction des émissions de CO2 en étant utilisée pour la production d’hydrogène bas-carbone, elle permettra quand même de réduire les émissions de CO2 et participera surtout au développement de la filière hydrogène française.
Ainsi, l’hydrogène produit par électrolyse pourrait représenter une vraie solution supplémentaire pour lutter contre le réchauffement climatique. Si on le substitue à la production d’hydrogène à partir d’énergies fossiles, on pourrait réduire les 9 M de tonnes de CO2 générées chaque année dans le cadre de sa production.
Sur le moyen et long terme, de nouveaux usages liés à l’hydrogène bas-carbone pourraient même permettre de réduire les émissions d’autres secteurs comme le transport (en particulier sur la mobilité lourde) ou encore le secteur de l’énergie avec la production d’électricité (à travers des solutions de stockage).
COMMENTAIRES
Article complétement truqué visant à favoriser la production nucléaire de l’électricité alimentant les électrolyseurs avec un coût exorbitant de cette électricité d’au moins 140€ le MWh alors que le MWh éolien qui serait ainsi utilisé ne seraient que les excédents de fort vent qui serait soit perdus soit utiliser ainsi donc GRATUIT
L’économie n’est pas là ou l’article veut la mettre.
Je ne pense pas que l’Article soit « complétement truqué pour favoriser la production nucléaire » de l’électricité alimentant les électrolyseurs.
En fait, comme je le suggère depuis longtemps, l’article évoque la possibilité d’utiliser l’énergie électrique nucléaire aux heures creuses d’utilisation, notamment la nuit quand les usines sont fermées et les foyers peu consommateurs.
C’est intelligent car cette électricité produite en permanence est perdue aux heures creuses.
Elle pourrait être utilisée pour produire l’hydrogène mobile de nos voitures et camions, ce qui réduirait les émissions de CO2
Cordialement
Il y a dans cette démonstration plusieurs trous dans la raquette.
– le plus gros est celui que dénonce Serge Rochain, à savoir qu’il y a dans le raisonnement un but évident : faire apparaitre la nécessité de faire appel au nucléaire. Je ne suis personnellement pas contre, mais tout positionnement se discute et j’aime bien qu’on annonce la couleur.
– Chacun évidemment se tourne vers ce qu’il connait le mieux à savoir pour ce qui me concerne la biomasse qui elle aussi peut :
. mener à l’électricité sans récupération de chaleur avec probablement un accompagnement de 230 g de CO2 /kWhe
. que deviennent ces 230 g lorsque la production d’électricité s’accompagne de 50% d’utilisation de chaleur, ce serait intéressant d’en imaginer l’hypothèse.
. Par ailleurs et une fois de plus, le processus de production d’électricité -biomasse pris en compte est la combustion et le turbinage et l’on connait son rendement assez moyen. On peut faire beaucoup mieux en passant par la gazéïfication et la combustion du gaz en moteur à gaz industriel (et cogénération, bien sûr).
– Pour en revenir à l’hypothèse de base, à savoir électricité + electrolyseur puisque l’article n’imagine rien d’autre que la production d’hydrogene (et pas la production d’électrolyseur) , il faut noter que si on passe par la biomasse, on n’a pas besoin d’électrolyseur, donc pas besoin d’électricité, on utilise un procédé thermochimique de A à Z.
Et pour en finir, si le prix final est le seul critère à considérer, alors on notera que la démonstration aboutit à des grosses, voire tres grosses installations (le monde d’avant en quelque sorte mais avec un combustible différent) lesquelles sur le plan de l’intérêt des territoires ne présente pas que des avantages comparées à des petites installations biomasse répartis sur tout le territoire (où il me semble qu’il y a un problème d’emploi existant et surtout à venir).
– Enfin, si l’on utilise la possibilité d’utiliser des déchets urbains secs et solides en lieu et place de la biomasse, les propos ci-dessus sont renforcés.
Il serait intéressant de revoir les 230 g de CO2 biomasse (en y ajoutant les déchets valeur négative) sous cet angle différent.
Pour la biomasse il y a un gros coup de frein en ce moment et il est justifié. Les quantités de combustibles nécessaires pour une centrale thermique aboutissent à de la déforestation pure et simple. Par ailleurs brûler instantanément des arbres qui mettront 50 ans à repousser à l’identique ne répond pas à l’urgence climatique, c’est même absurde!
Je suppose que le sujet intéresse tous ceux qui viennent ici :
La prochaine conférence publique de l’Institut d’astrophysique de Paris se tiendra le mardi 2 mars 2021 à partir de 19h30. Elle sera présentée par Hervé Le Treut et aura pour titre « Les changements climatiques : de l’échelle globale à l’échelle régionale ».
Du fait des contraintes sanitaires nous ne pouvons toujours pas reprendre l’accueil du public dans notre amphithéâtre mais cette conférence sera diffusée en direct sur la chaîne Youtube de l’IAP.
N’hésitez pas à nous y rejoindre, ni à diffuser cette information dans vos réseaux.
https://www.youtube.com/watch?v=7S4Skefapso&feature=youtu.be
http://www.iap.fr/science/conferences
Bonjour à tous.
Quand on parle de « trous dans la raquette », il y en a un d’énorme: personne ne parle jamais ni du prix de l’électricité éolienne garanti par contrat (même quand il y a surproduction), ni du rendement de la filière de stockage:
– distribution électrique
– électrolyseur
– compression de l’hydrogène (ou liquéfaction)
– distribution et stockage de l’hydrogène sous pression ou liquéfié
– rendement des piles à combustible pour refaire de l’électricité
De la centrale électrique à la sortie de la PAC ce rendement est de l’ordre de 20%, ce qui veut dire que les émissions de CO2 de l’électricité en sortie PAC sont 5 fois celles de la centrale électrique (12 g/kW.h deviennent 60).
Pour le prix, multiplié par 5 pour la raison ci-dessus, il sera encore multiplié par (au moins) 2 pour les amortissements des installations, le transport, le stockage, la distribution, les frais de personnel, les marges et les taxes.
ça ne va pas être facile de trouver des clients acceptant de payer leur électricité issue de cette filière à 10 fois celui des contrats garantis des moulins à vent…
Pour info, une STEP sait faire la même chose (stocker de l’énergie) avec un rendement de 70% et des solutions techniques éprouvées depuis plus d’un siècle: un grand plan d’eau en haut d’une falaise de bord de mer près d’une centrale nucléaire et d’éoliennes en mer (et à terre) ne serait-il pas plus simple et économique que tout ce « basard »?
Concernant les STEP la capacité d’en faire plus est assez limitée. Trouver de nouvelles vallées à noyer? Bonjour les ZAD! Le plus grand STEP d’Europe est chez nous, le barrage de Grand Maison, il peut cracher 1800 MW en débit maxi mais ça vide le lac en quelques heures. Il n’est donc pas question de lisser ainsi une part significative de notre production électrique, question d’ordre de grandeur. Il y faudrait plusieurs lacs de la taille de Serre Ponçon. De plus EDF laisse certains projets dans les cartons étant sous la menace de la privatisation des barrages! L’idéologie néolibérale ne fait pas bon ménage avec la transition énergétique!
L’auteur dit ; « l’hydrogène est un vecteur d’énergie, comme l’électricité ». Il s’agit là d’une erreur très profonde, très commune, et qui explique une grande partie des âneries proférées en matière d’énergie.
Si l’hydrogène est bien un vecteur d’énergie, l’électricité est un vecteur de puissance (et non d’énergie), qui doit être utilisée en même temps qu’elle est produite dans un réseau de conducteur. Cette différence majeure fait que, contrairement à l’électricité, l’hydrogène peut se stocker. Pour stocker de l’énergie électrique », il faut transformer la puissance créée dans le réseau en une autre forme, par exemple de l’énergie potentielle dans un barrage, ou de l’énergie chimique dans une batterie.
Cette confusion entre énergie et puissance, très commune chez les écolos, les journalistes et les politiques, est inexcusable chez un scientifique sérieux.
Oups, je reprends cette partie du texte: »il faut transformer la puissance créée dans le réseau en une autre forme, par exemple de l’énergie potentielle dans un barrage, ou de l’énergie chimique dans une batterie »… ça c’est nouveau???
Et de conclure avec votre conclusion »de scientifique sérieux »!
Une suggestion monsieur Canevet, retournez à l’école!
Et surtout ne globalisez pas les personnes respectueuses de l’environnement avec des journaliste et politiques non scientifiques!
Je vais demander à »Dame Nature » de suspendre sa livraison gratuite des 500 litres d’oxygène à votre intention (qui vous permettent de respirer et donc de vivre tous les jours!)… puisque vous dénigrez »les écolos »!
Je voudrais moi aussi souligner l’absence d’information concernant la production d’hydrogène décarboné en utilisant la biomasse. Sauf erreur de ma part, c’est possible et à un coût compétitif, par le procédé HYNOCA mis au point et commercialisé par la société HAFFNER Energy (dont le siège est à Vitry-Le-François). L’utilisation de ce procédé à l’échelle industrielle sera bientôt effective puisque la première unité de production qui est en cours d’installation à Strasbourg devrait être productive avant la fin de cette année 2021. Toutes les informations relatives au principe de fonctionnement, aux coûts et à la rentabilité énergétique et financière de ce procédé sont disponibles sur le site « HAFFNER Energy ». Je pense qu’une étude de votre part à propos de ce procédé serait judicieuse et qu’un article faisant part de vos conclusions serait intéressant.
A l’attention de monsieur Guy Farand
Vous citez une phrase dont vous n’avez apparemment pas compris la signification. Vous faites manifestement partie des ignares qui ne comprennent pas la différence entre puissance et énergie. C’est comme si vous confondiez de la nourriture avec le camion qui la transporte, ou la vitesse d’un véhicule avec la distance qu’il parcourt. Comme la plupart des gens, vous croyez que « l’énergie électrique » peut se stocker ce qui n’a aucune réalité. A votre avis, comment fait on pour stocker la production d’une éolienne ?
Vous me proposez gentiment de retourner à l’école. De ce côté, j’ai eu ma part. J’aimerais comparer mon cursus avec le vôtre.
Votre commentaire sur l’environnement, « Dame Nature » et les écolos est touchant.
vous ignorez manifestement la différence entre l’écologisme et la protection de l’environnement. Il y a autant de distance entre l’écologisme et l’l’écologie qu’entre l’islamisme et l’islam. L’écologie était une science, mais entre les mains des « écolos », pétris de bonnes intentions et de certitudes, elle s’est encombrée d’un fatras de superstitions pseudo scientifiques : déification de la nature, du bio et des énergies prétendument renouvelables, diabolisation du carbone, de la sciences , des biotechnologies, du nucléaire, des engrais , des pesticides et bien d’autres. …
vous m’accusez de dénigrer les « écolos ». Ils n’ont pas besoin de moi pour ça.
Dernières remarques :
vous me sommez de retourner à l’école. C’est une manie de toutes les dictatures de vouloir rééduquer leurs opposants.
vous lancez une fatwa sur ma tête et vous chargez « Dame Nature » de m’exécuter par privation d’oxygène. La méthode est originale. Ce n’en est pas moins un appel au meurtre. A propos, comment avez vous l’intention d’informer votre tueuse de cette sentence et comment allez vous l’obliger à agir ? Et d’où vous vient l’idée que la dose létale de la privation d’oxygène est de 600 litres ?
Oups, »en plein dans le mille », votre réaction démontre simplement que mes propos (avec le poids des mots)… ont fait »tilt »!
Je n’ai pas de temps à gaspiller pour répondre à vos sornettes… juste pour l’oxygène vous voyez que vous devez retrouner à l’école! Et comment faire pour demander à »Dame Nature »… c’est déjà en cours car pour information (personne ne le précise!) dégager beaucoup de CO², c’est aussi piéger de l’O²… l’O² diminue dans notre atmosphère d’autant plus que les fôrets et les organismes qui en produisent sont en diminutions drastiques!
Enfin puisque vous êtes »convaincu » (en un seul mot!) des bienfaits du nucléaire, je vous abandonne dans vos ignorances…