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L’hydrogène pour le production d'énergie


L’hydrogène est aujourd’hui une matière première valorisée pour ses propriétés chimiques : il est principalement utilisé comme matière de base dans les raffineries de pétrole, en particulier pour la désulfuration de l’essence et du gazole (près de 44 % de la consommation), pour la production d’ammoniac (environ 38 %) et dans la fabrication de produits chimiques comme le méthanol, les amines, l’eau oxygénée, etc.

Du fait de ses propriétés énergétiques intéressantes (contenu énergétique massique élevé, combustion exempte de gaz à effet de serre et de polluants), il pourrait, utilisé comme vecteur énergétique, contribuer à l’amélioration de la sécurité énergétique et à la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Les possibilités sont multiples, comme carburant pour le transport, comme moyen de stockage de l’énergie au niveau des réseaux pour assurer leur sécurité ou directement dans les bâtiments pour produire de l’énergie. Cependant, ses applications nécessitent la mise en place d’une filière complète relativement complexe : production, transport, stockage, distribution, utilisation. L’hydrogène n’a de sens comme élément de réponse aux enjeux énergétiques que s’il est produit de manière décarbonée, ce qui fait appel à des techniques aujourd’hui particulièrement coûteuses. En outre, le recours à ce nouveau vecteur, par exemple dans le transport, implique la mise en place de nouvelles infrastructures de distribution et de stockage, ce qui a un coût important.

Ainsi, la valorisation de la capacité énergétique de l’hydrogène est pénalisée, par rapport aux alternatives existantes, par le coût élevé et les enjeux de sécurité (du stockage en particulier) associés à la filière complète depuis la production jusqu’à la distribution aux utilisateurs.



L’hydrogène-énergie et les piles à combustible : définitions


L’hydrogène n’est pas une source d’énergie primaire. Il peut être utilisé dans diverses applications en raison de son fort potentiel énergétique massique (142 MJ/kg contre 55 MJ/kg pour le gaz naturel et 45 MJ/kg pour le pétrole). Il doit être fabriqué à partir d’une source d’énergie, transporté, stocké et distribué.

Les piles à combustible sont des convertisseurs électrochimiques, produisant électricité et chaleur par oxydation d’un carburant liquide ou gazeux (hydrogène, gaz naturel, méthanol, éthanol, biogaz, GPL, essence, gazole) et réduction d’oxygène. Leur puissance varie du watt au mégawatt.

Le champ des applications de l’hydrogène-énergie et des piles à combustible


Applications stationnaires : dans les bâtiments, l’industrie et les réseaux, ces technologies permettent de stocker l’énergie et d’assurer la fourniture d’électricité et de chaleur (de la micro-cogénération, kW, à la cogénération de forte puissance, MW). Elles contribuent au développement des bâtiments et îlots à énergie positive, et à celui des réseaux électriques intelligents.

Applications mobiles : l’hydrogène peut alimenter des véhicules équipés de moteurs fonctionnant au gaz. L’hythane® (20 % hydrogène – 80 % GNL) ne nécessite qu’une adaptation mineure des moteurs. Les piles à combustible peuvent équiper tout véhicule électrique. L’intégration réservoir/pile à combustible dans un véhicule accroît l’autonomie et réduit le temps de charge.

Applications de niche ou marchés précoces : les applications de l’hydrogène et des piles à combustible ont d’abord été démontrées pour des usages de niche spécifiques. Ces applications, les plus proches de la commercialisation, sont regroupées sous le terme de « marchés précoces » : engins de manutention ; véhicules spéciaux pour des usages urbains ou dans des bâtiments ; alimentation de sites isolés, antennes relais et bases de télécommunication ; groupes de secours pour des usages critiques ou stratégiques ou, plus largement, en soutien aux réseaux électriques défaillants ; alimentation d’objets nomades (téléphones, ordinateurs portables, éclairage portatifs, etc.) par des piles ou µ-piles de faible puissance.

Production de l’hydrogène


Si l’hydrogène n’est pas naturellement disponible, il entre dans la composition chimique de différents corps. On doit produire ce gaz via des procédés qui utilisent des sources primaires différentes, renouvelables ou non :
  • le vaporeformage du gaz naturel est le plus employé (90 % de la production mondiale), avec un rendement de 70-80 %. Il génère du CO2, qui peut être capté, stocké ou valorisé (filière CSCV). L’hydrogène peut aussi être produit à partir de biogaz. Cette filière est portée en France par Air Liquide et des PME : N-GHY, Verde Mobile et Albhyon. Soixante-dix des 250 sites français de production d’hydrogène par biogaz valorisent déjà ce biogaz (cogénération), produisant en moyenne 157 tH2/an et par site (7 000 heures de fonctionnement). L’hydrogène distribué a un coût de 9 €/kg H2 ;
  • les procédés thermochimiques de gazéification et de pyrolyse de biomasse solide produisent un mélange de gaz (CO + H2) dont on peut extraire de l’hydrogène ;
  • l’électrolyse de l’eau est très minoritaire. Ce procédé peut permettre de produire de l’hydrogène de manière décarbonée, sous réserve d’utiliser de l’électricité renouvelable, avec un rendement de 50-60 %.


Évaluation des coûts futurs de production de l’hydrogène versus le taux de coproduction de CO
Évaluation des coûts futurs de production de l’hydrogène versus le taux de coproduction de CO2*
(*) Ce graphique compile les coûts de production du kg d’H2 à deux échéances, 2030 et 2050, pour différentes méthodes de production, il fait figurer le niveau de coproduction de CO2 lié à ces typologies de production.


D’autres procédés font l’objet de recherche : décomposition thermochimique de l’eau, décomposition photochimique de l’eau ou production par voie biologique. L’hydrogène est également coproduit dans certains procédés chimiques (chlore, cokerie, pétrochimie, etc.). Il est soit valorisé dans un procédé, soit brûlé ou rejeté. Le réseau de gaz naturel peut contenir de l’hydrogène jusqu’à 20 % en volume. Des verrous technologiques restent à lever, afin de séparer et purifier l’hydrogène en aval.

Les enjeux d’avenir


=> Production propre d’hydrogène
L’hydrogène peut être produit à partir de sources d’énergie décarbonées (éolien, solaire, hydraulique, nucléaire, biomasse solide, biogaz) et apparaît comme un moyen de stocker, transporter ou distribuer ces énergies. En particulier pour les énergies renouvelables intermittentes, il peut être envisagé à long terme comme moyen de régulation de leur production, usage à mettre en parallèle avec les dispositifs de stockage : par batteries (notamment Li-ion), dont la capacité massique devrait doubler à horizon 2015. Sa transformation via les piles à combustible produit électricité et chaleur, permettant un emploi dans les principaux usages énergétiques : mobilité, usages de l’électricité, besoins thermiques des bâtiments, accroissant les potentialités de substitution entre sources d’énergies conventionnelles et sources d’énergies renouvelables.

Les bénéfices énergétiques dépendent du rendement de la chaîne énergétique, dont l’optimisation apparaît comme un facteur déterminant les potentialités énergétiques de ce vecteur. Pour l’heure, le procédé de production le plus utilisé reste le vaporeformage du méthane, très émetteur de gaz à effet de serre.

=> Distribution et stockage de l’hydrogène et connexions au réseau
L’intelligence croissante des échanges entre systèmes de production, transport, distribution et sites de consommation, autorisera une forte automatisation des réseaux ainsi qu’une gestion avancée de la production et de la charge. L’hydrogèneénergie et les piles à combustible offrent des capacités de stockage et de production d’électricité à la demande permettant d’optimiser la gestion des intermittences. Ils contribuent à l’évolution des réseaux électriques à différentes échelles. L’hydrogène peut interagir avec le réseau de gaz naturel et offre des possibilités d’interconnexions entre réseaux électriques, réseaux de gaz naturel et sources d’énergies renouvelables, contribuant à une régulation évoluée des différentes formes d’énergies finales.

=> Réduction des nuisances des usages énergétiques, notamment en milieu urbain
La mobilité urbaine et périurbaine est confrontée aux nuisances locales : émissions de polluants (oxydes d’azote, particules, etc.), nuisances sonores. La pile à combustible, associée au véhicule électrique, constitue une solution de rupture pour ce qui est des polluants. Sous réserve d’une production d’hydrogène décarbonée, le véhicule à PAC n’émettra pas de gaz à effet de serre. Air Liquide prévoit à horizon 2020 de fabriquer 50 % de son hydrogène destiné à des applications énergétiques de manière décarbonée (programme Blue Hydrogen). Cependant, son développement rencontre plusieurs difficultés : déploiement d’un réseau de distribution, coût du véhicule et sécurité du stockage mobile de l’hydrogène.

Les usages de l’énergie dans les bâtiments évoluent fortement. Production et stockage d’énergie pourraient se généraliser à l’échelle du bâtiment ou d’îlots. La technologie des piles à combustible (hydrogène ou gaz naturel) peut contribuer aux besoins énergétiques avec un rendement de conversion élevé. Le rapport entre électricité et chaleur produite, favorable à l’électricité, répond à l’évolution observée des usages dans les bâtiments. Batteries (notamment Li-ion), mais également supercondensateurs répondent également à ces problématiques. Les performances de ces procédés devront être évaluées (capacité de stockage, facilité d’utilisation, sécurité).

Les paramètres clés


=> La production, centralisée ou décentralisée
Différentes échelles ou degrés de centralisation peuvent être imaginés dans la mise en oeuvre de ces moyens de production. De manière extrême, deux logiques d’infrastructures se distinguent :
  • la production d’hydrogène centralisée. L’hydrogène est produit en grandes quantités, sur peu de sites. Les installations de grandes capacités reposent sur les procédés suivants : le vaporeformage du gaz naturel avec CSCV ; l’électrolyse haute et basse température, sur site dédié ou adossée à des sites de production d’électricité de grande taille (éolien en mer, centrales nucléaires) ; la gazéification de la biomasse et le vaporeformage du biogaz ; les nouveaux procédés : décomposition thermochimique de l’eau, procédés biologiques. Cette production doit être transportée de façon sécurisée (enjeu important). Ce transport peut être réalisé par camion sous forme liquide ou gazeuse, ou par pipeline sous forme gazeuse ;
  • la production d’hydrogène décentralisée. La production est assurée par de nombreuses installations dispersées : la gazéification de la biomasse et le vaporeformage du biogaz ; l’électrolyse, haute et basse température connectée au réseau ou adossée à des parcs de production d’électricité renouvelable de petite taille ; les nouveaux procédés : décomposition photochimique de l’eau, procédés biologiques.


=> Les usages, concentrés ou diffus
Flexibilité et modularité de l’hydrogène et des piles permettent d’envisager différentes échelles d’application :
  • Les usages concentrés. L’hydrogène peut être utilisé en grande quantité sur un nombre restreint de sites, à des fins industrielles et énergétiques : usages industriels : raffinage, production de biocarburants, carburants de synthèse, chimie, sidérurgie ; production d’électricité et de chaleur en usage stationnaire : cogénération de forte puissance (> 50 MW), piles à combustible valorisant de l’hydrogène, ou autre combustibles (type Hythane®, biogaz) ;
  • Les usages diffus. De petites quantités d’hydrogène sont consommées de manière dispersée. Les piles à combustible peuvent être utilisées pour des applications stationnaires et mobiles diffuses : micro et moyenne cogénération (de 1 kW à 1 MW) dans les bâtiments et l’industrie, fonctionnant à partir d’hydrogène, de gaz naturel, de mélange (Hythane®,) de biogaz ; véhicules équipés de piles à combustible associées à une traction électrique, ou véhicules thermiques utilisant du mélange (Hythane®) ; applications diffuses diverses : objets nomades, véhicules spéciaux, groupes de secours, etc.


Verrous et leviers


Des éléments externes joueront sur le déploiement des technologies : la contrainte carbone de même que les prix des énergies et de l’électricité auront un impact déterminant sur leur compétitivité. Elles s’intégreront dans des systèmes qui évolueront sous l’influence d’autres facteurs : décentralisation, déploiement des renouvelables et des véhicules électriques. Le résultat d’initiatives menées à l’étranger créera des conditions favorables ou défavorables à ce développement. Ainsi, l’essor des applications précoces et mobiles est lié à l’émergence de marchés internationaux. Néanmoins, des verrous ou freins spécifiques freinent le développement de la filière nationale.

=> Verrous à caractère technico-économique
Ces verrous concernent l’optimisation des technologies actuelles, jusqu’au développement de produits à coûts maîtrisés. Dans les piles, l’intégration des composants en systèmes, l’allongement de la durée de vie, l’amélioration de la fiabilité/robustesse et la mise en oeuvre des technologies à moindre coût sont les principaux verrous. Chaque technologie nécessite de poursuivre la levée de verrous spécifiques : diminution des quantités de métaux précieux ou substitution par des métaux moins rares pour les piles à combustible basse température, corrosion et tenue en température pour les piles à combustible haute température. Dans l’hydrogène-énergie, la faisabilité du captage et stockage de CO2 sera déterminante dans la mise en oeuvre du vaporeformage du gaz. Procédés d’électrolyse haute et basse température et technologies de stockage d’hydrogène doivent être optimisés et leur fabrication industrialisée.

=> Verrous à caractère économique et industriel
La maturité économique ne sera atteinte qu’à moyen-long terme, ces applications ne devenant que progressivement compétitives par rapport aux technologies de référence. Les investissements sont lourds dans la production ou dans les infrastructures de distribution et de stockage. La filière repose sur des acteurs industriels dont aucun ne maîtrise la totalité de la chaîne de valeur. Le risque économique et industriel élevé peut conduire à de l’attentisme. La gestion du risque dans les phases de transition du déploiement de la filière est un élément clé de réussite. Trois leviers paraissent déterminants :
  • Soutien et accompagnement politique : La définition d’un cadre réglementaire et normatif adapté est nécessaire dans la durée. Le développement sur le long terme de l’hydrogène-énergie et des piles à combustible suppose que ces technologies soient intégrées dans les décisions stratégiques des pouvoirs publics ;
  • Engagement de grands industriels, associés à un tissu de PME : Le déploiement des technologies hydrogène-énergie et des piles à combustible n’est pas envisageable sans l’implication d’opérateurs énergétiques et d’industriels (constructeurs automobiles). L’industrialisation de ces technologies et le déploiement d’infrastructures (distribution et stockage) nécessitent des investissements qui ne peuvent être portés que par des groupes industriels. Leur engagement est indissociable du développement d’un tissu de PME spécialisées, la filière nécessitant la mise en oeuvre de compétences complexes et variées ;
  • Acceptation sociétale : les visions 2050 impliquent, pour celles qui s’appuient sur des usages diffus de l’hydrogène, une proximité des usagers et décideurs à ces technologies, par leur intégration banalisée dans les bâtiments, dans les transports, par leur lien avec les énergies renouvelables et la présence d’infrastructures de stockage et de distribution. Ces technologies seront d’autant mieux acceptées qu’elles répondront à des attentes sociétales : contribution aux défis environnementaux, amélioration du service dans l’électromobilité, sécurité d’approvisionnement électrique. Le volet sécurité en lien avec le stockage et l’utilisation de l’hydrogène doit être intégré à la fois dans les applications mobiles et stationnaires. La sensibilisation, l’information et l’éducation du public aux risques que peut engendrer l’hydrogène constituent une étape essentielle à l’appropriation de ses multiples usages dans l’énergie.


Les acteurs industriels


Les acteurs industriels français se répartissent tout au long de la chaîne de valeur de la filière et sur l’ensemble de ses axes prioritaires.

Cartographie des acteurs de la filière hydrogène
Cartographie des acteurs de la filière hydrogène