L’énergie hydrogène : Une révolution verte qui se cache sous nos yeux ?

Imaginez, pour un court instant, que toute l’énergie dont nous pourrions avoir besoin (et plus encore) était disponible à portée de main, stockée gratuitement dans l’élément le plus commun sur Terre. Imaginez que cette même énergie pourrait être récoltée et utilisée pour alimenter de nombreux secteurs de notre économie et de multiples facettes de l’activité humaine. Et imaginez qu’il pourrait nous libérer pour toujours des combustibles fossiles tellement nuisibles à notre climat.

Pour les non-initiés, cela pourrait sembler être un fantasme de science-fiction, une panacée à forte médiatisation pour résoudre nos problèmes environnementaux. Pourtant, un tel scénario utopique n’est pas vraiment éloigné de la réalité.

L’énergie hydrogène entre en scène.

La démonstration de faisabilité est bien établie, l’énergie hydrogène étant déjà produite et utilisée commercialement dans le monde entier.

Comme son nom l’indique, l’énergie hydrogène utilise l’élément le plus simple et le plus abondant de l’univers : l’hydrogène. Lorsqu’une flamme d’hydrogène gazeux brûle dans l’air, la réaction de l’oxygène (O₂) avec l’hydrogène (H₂) libère de l’énergie qui peut être utilisée comme combustible. Et qu’obtient-on comme sous-produit ? De l’eau : H₂O.

Cependant, comme souvent, il y a un petit problème. À l’heure actuelle, environ 95 % de l’hydrogène consommés à l’échelle mondiale utilisent des combustibles fossiles à un moment donné du processus de production.[1] La méthode la plus courante, le reformage du méthane à la vapeur (Steam Methane Reforming, SMR), nécessite de la vapeur à haute pression et à haute température, le type de source d’énergie que seuls les combustibles fossiles peuvent actuellement fournir et qui ternit gravement le blason écologique de l’hydrogène.

Mais les innovateurs d’une « économie fondée sur l’hydrogène » ne se découragent pas facilement. Les experts envisagent un scénario pas très éloigné dans le temps où l’hydrogène alimente à la fois économiquement et proprement notre vie quotidienne, voire des domaines qui ne peuvent actuellement pas être alimentés en électricité. L’hydrogène pourrait être utilisé pour le stockage d’énergie à long terme. Pour les véhicules alimentés à l’hydrogène, comme indiqué dans notre article Perspectives. Pour le chauffage. Même pour le mélanger avec du CO₂ capté et produire du carburant propre pour l’aviation. Tout cela sans empreinte carbone supérieure à celle d’un panache de vapeur d’eau s’envolant sans danger dans l’atmosphère.[2]

Pour que cette révolution énergétique ait lieu, il faut tout simplement faire preuve d’une certaine ingéniosité, autant que de détermination, et rassembler les experts les plus audacieux dans le domaine de la technologie.

L’hydrogène pourrait révolutionner la mobilité en permettant d’utiliser des véhicules sans émissions

Débloquer un avenir décarboné

Ce que l’on appelle l’hydrogène « vert » utilise, non pas des combustibles fossiles, mais l’énergie renouvelable pour alimenter l’électrolyse de l’eau et produire de l’hydrogène gazeux.

La transformation de l’énergie renouvelable en gaz stockable permet de surmonter deux des limitations qui entravent actuellement les énergies renouvelables. Les énergies renouvelables sont incohérentes (l’énergie solaire et l’énergie éolienne sont tributaires du soleil qui doit briller et du vent qui doit souffler, respectivement) et leur production n’est pas toujours parfaitement synchronisée avec la demande.

Outre la possibilité de générer de l’électricité en grandes quantités, pour produire de l’hydrogène vert, il suffit d’avoir de l’eau et un équipement appelé électrolyseur. Une fois que vous avez obtenu ce produit final d’une importance capitale, sa polyvalence est inégalée.

L’hydrogène vert peut être utilisé pour alimenter directement les piles à combustible des voitures ou des navires, brûler dans les centrales thermiques ou les chaufferies, ou simplement aider à remplacer une partie des 10 millions de tonnes d’hydrogène industriel produits à partir du gaz naturel aux États-Unis chaque année.[3]

Il n’est pas étonnant que certains l’applaudissent comme étant la prochaine grande innovation, les secteurs à la fois public et privé mobilisant du temps et de l’argent pour affiner le processus.

Le développement d’hydrogène propre permettrait de surmonter certains des défis qui limitent jusqu’à présent les progrès de l’hydrogène. Traditionnellement, la production d’hydrogène n’est pas un processus propre. Le gaz naturel est la principale source actuelle de production d’hydrogène et le coût de ce combustible représente de 45 % à 75 % du coût total de production d’hydrogène[4]. La production d’hydrogène à partir de combustibles fossiles signifie également que, tandis que la demande en hydrogène a augmenté, ayant triplé depuis 1975, il en a été de même pour les émissions issues de la production traditionnelle d’hydrogène. Elle génère désormais 830 millions de tonnes de CO₂ par an, soit à peu près la même quantité d’émissions de CO₂ que celle produite par le Royaume-Uni et l’Indonésie combinés.[5]

Pas mal du tout !

Les activités des entreprises de combustibles fossiles sont soumises à des contraintes de plus en plus strictes pour permettre d’atteindre les objectifs de réduction des émissions définis dans l’Accord de Paris. L’Accord de Paris vise à limiter l’augmentation de la température mondiale moyenne à une température bien inférieure à 2 °C au cours de ce siècle, par rapport aux niveaux préindustriels. Pour atteindre cet objectif, il sera essentiel de réduire considérablement les émissions dans tous les secteurs. En tant que telles, ces organisations sont fréquemment au cœur de la recherche sur l’hydrogène vert.

Émissions de dioxyde de carbone liées à l’énergie dans le cadre des politiques actuelles (cas de référence) par rapport à l’adoption accélérée des énergies renouvelables (scénario REmap – randomised, embedded, multifactorial, adaptive platform [randomisé, embarqué, multifactoriel de plateforme adaptative]), 2010–2050

Par exemple, l’installation solaire de BP, Lightsource BP, évolue vers une centrale éolienne et solaire à hydrogène vert de 1,5 GW en Australie occidentale.[6]

Parallèlement, Shell Nederland s’est associée à Eneco pour soumissionner en réponse à un appel d’offres visant à établir un parc éolien au large des côtes néerlandaises pour alimenter un hub hydrogène de 200 MW dans le port de Rotterdam.[7]

Les gouvernements du monde entier s’empressent à rejoindre la filière de l’hydrogène vert. Le Royaume-Uni, l’Allemagne, le Japon et l’Australie, ce dernier pays étant fier de disposer de plus de 200 millions USD pour lancer les efforts, ont tous dévoilé des stratégies en matière d’hydrogène. Les Pays-Bas prévoit d’avoir 500 MW d’électrolyseurs verts opérationnels d’ici 2025, et le Portugal prévoit d’installer une nouvelle usine alimentée à l’énergie solaire pour produire de l’hydrogène vert d’ici 2023.[8]

L’engouement en la matière est particulièrement notable en Europe, où la Commission européenne (CE) a identifié l’hydrogène vert en tant que passeport pour atteindre son objectif de neutralité carbone d’ici 2050. La stratégie en plusieurs phases de la CE comprend :

• l’installation de 6 gigawatts au minimum d’électrolyseurs d’hydrogène renouvelable dans l’Union européenne (UE) d’ici 2024, capables de produire jusqu’à un million de tonnes d’hydrogène renouvelable ;
• l’installation de 40 gigawatts au minimum d’électrolyseurs, produisant jusqu’à dix millions de tonnes d’hydrogène renouvelable, entre 2025 et 2030 ;
• le déploiement de technologies utilisant l’hydrogène à grande échelle dans tous les secteurs « difficiles à décarboner » entre 2030 et 2050[9].

Il ne semble pas s’agir de promesses vaines. En fait, pour assurer que ces objectifs ambitieux sont atteints, la CE a lancé un nouveau partenariat appelé l’Alliance européenne pour un hydrogène propre.

L’alliance réunit des leaders nationaux et régionaux, des banques et des chefs d’entreprise, afin de sécuriser un pipeline d’investissement pour mettre à l’échelle la production d’hydrogène vert, tout en introduisant des normes, terminologies et certifications communes.

Avec l’alliance, l’UE souhaite renforcer son leadership mondial dans ce domaine, en soutenant sa détermination à atteindre la neutralité carbone d’ici 2050. Tout cela devrait offrir de la certitude aux investisseurs, garantissant ainsi la mise en place de l’infrastructure et des réseaux logistiques nécessaires pour que l’hydrogène vert puisse réaliser son potentiel.

Kadri Simson, commissaire européen à l’Énergie, a déclaré : « Le système énergétique de l’UE doit devenir mieux intégré, plus flexible et plus à même d’intégrer les solutions les plus propres et les plus rentables. L’hydrogène jouera un rôle essentiel à cet égard, étant donné que la baisse du prix des énergies renouvelables et la poursuite de l’innovation en font une solution viable pour une économie climatiquement neutre. »[10]

Le prix fera-t-il exploser le ballon d’hydrogène ?

Comme pour la plupart des aspects de la vie, l’argent compte et l’hydrogène n’est pas bon marché. Selon la Banque européenne pour la reconstruction et le développement (BERD), l’hydrogène vert coûte actuellement environ entre 3 à 6 USD par kilogramme, contre 1 à 1,8 USD par kilogramme pour l’hydrogène fabriqué à partir de combustibles fossiles.[11]

C’est un inconvénient reconnu. Et il y en a un autre.

L’Agence internationale des énergies renouvelables (IRENA) pense que quelque 19 exajoules d’hydrogène proviendront de l’électricité renouvelable dans la panoplie énergétique mondial d’ici 2050. Mais la production de cette quantité d’hydrogène renouvelable (ou de produits à base d’hydrogène) nécessitera de 4 à 16 térawatts d’énergie solaire et éolienne.[12]

Selon les calculs effectués, la production de 19 exajoules d’hydrogène impliquera au minimum 6 690 TWh d’électricité par an, soit l’équivalent de 1 775 GW de parcs éoliens offshore, 2 243 GW d’énergie éolienne terrestre, 4 240 GW d’énergie solaire photovoltaïque ou 957 GW d’énergie nucléaire.[13] Certes une nette augmentation par rapport aux capacités de nos installations actuelles : 23,4 GW d’énergie éolienne offshore, 540,4 GW d’énergie éolienne terrestre, 480,4 GW d’énergie solaire photovoltaïque et 397 GW d’énergie nucléaire.

Ces chiffres intimidants expliquent pourquoi certains experts de l’industrie préconisent la mesure provisoire de « l’hydrogène bleu », produit à l’aide de gaz naturel et de CCUS (carbon capture, utilization, and storage [captage, utilisation et stockage du carbone]). Malheureusement, seulement environ 80 % du carbone émis pendant ce processus peuvent être « captés » ; par conséquent, un écosystème énergétique dépendant de l’hydrogène bleu serait toujours responsable de millions de tonnes d’émissions chaque année.[14]

Alors que les comparaisons de coûts uniquement semblent défavorables pour l’hydrogène vert, il convient de se souvenir du principe ancestral de l’offre et de la demande. Les prix diminueront inévitablement à mesure que l’utilisation augmentera.

Par exemple, la Banque européenne pour la reconstruction et le développement (BERD) prévoit une baisse des coûts d’électrolyse, associée à une énergie renouvelable moins chère, pour réduire le prix de l’hydrogène vert qui ne devrait pas dépasser 1,50 USD par kilogramme d’ici 2050, ce qui le rend comparable au gaz naturel, et d’autant plus si les pénalités carbones resserrent davantage l’étau autour des combustibles fossiles.

“Nous sommes probablement dans la même situation qu’il y a une décennie ou deux en ce qui concerne l’énergie renouvelable, la solution étant plus coûteuse que les alternatives. Si nous continuons sur notre lancée et qu’une politique la propulse, nous nous attendons à ce qu’elle soit prochainement d’un coût concurrentiel », a déclaré Christian Carraretto de la BERD.[15]

De même, dans son rapport intitulé : « L’avenir de l’hydrogène »[16], l’Agence internationale de l’énergie (AIE) prédit que le coût de production d’hydrogène à partir d’énergie renouvelable pourrait chuter de 30 % d’ici 2030 en raison de la baisse des coûts des énergies renouvelables et de la mise à l’échelle de la production d’hydrogène.

Selon l’AIE : « Grâce à la baisse des coûts de l’électricité renouvelable, provenant particulièrement de l’énergie solaire photovoltaïque et de l’énergie éolienne, l’intérêt grandit envers l’hydrogène électrolytique et plusieurs projets pilotes ont été développés ces dernières années… Comme la production d’énergie solaire photovoltaïque et d’énergie éolienne revient de moins en moins cher, la construction d’électrolyseurs dans des sites dotés d’excellentes ressources renouvelables pourrait devenir une option d’approvisionnement en hydrogène à faible coût. »

La perspective des politiques

Malgré les obstacles, IRENA n’hésite pas à identifier l’hydrogène issu d’énergies renouvelables comme le « maillon manquant » de la transition énergétique, habilitant les secteurs difficiles à décarboner par le biais de l’électrification.

L’agence reconnaît, cependant, qu’une politique accueillante et un cadre réglementaire sont essentiels pour attirer l’investissement privé nécessaire.

Ainsi, IRENA recommande :

• de concevoir des instruments de soutien financier, tels que des subventions aux investissements et des abattements fiscaux, pour compenser le coût initial des nouvelles technologies ;
• d’introduire des restrictions en matière d’émissions et des directives en matière de contenu d’énergie renouvelable dans l’industrie afin d’encourager une plus grande demande d’hydrogène ;
• d’établir des tarifs d’injection dans les réseaux de gaz à long terme ;
• de permettre aux opérateurs d’électrolyseurs de participer aux marchés auxiliaires de la prestation de services ;
• de limiter les risques d’investissement pour stimuler l’adoption du marché et soutenir le déploiement de l’infrastructure et de l’hydrogène[17].

De plus, IRENA estime qu’il y a tout lieu de penser que l’hydrogène vert sera de plus en plus recherché à mesure que les technologies clés arrivent à maturation.

Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (Proton-Exchange Membrane, PEM) et les piles à combustible bénéficieront prochainement des économies d’échelle, un déploiement commercial étant déjà en cours dans des marchés clés tels que le Japon, la Californie et l’Europe.[18]

Par ailleurs, les nouveaux électrocarburants peuvent souvent remplacer facilement les combustibles fossiles sans devoir adapter l’équipement au point d’utilisation, ce qui est potentiellement important pour les secteurs tels que celui de l’aviation.

Plusieurs industries où l’hydrogène vert peut rapidement réaliser des percées importantes dans l’atteinte des objectifs climatiques. ont déjà été identifiées. Il s’agit notamment d’opérations à grande échelle, telles que la fabrication de produits pétrochimiques et d’acier, et de véhicules de transport de moyen tonnage à lourds, tels que les autobus, camions, trains et navires.

La mobilité est peut-être l’un des secteurs les plus médiatisés qui s’apprête déjà à exploiter les avantages de l’hydrogène, tout en contribuant à changer les perceptions.

Le Japon est un leader mondial des véhicules à pile à combustible utilisant l’hydrogène. Le pays compte avoir 200 000 véhicules à hydrogène en circulation d’ici 2025, atteignant 800 000 en 2030[19]. Ceux-ci seront soutenus par un réseau national de stations de ravitaillement en hydrogène conçu pour que des millions de véhicules à hydrogène circulent dans le pays. Regardant plus avant, le pays prévoit d’avoir 320 stations d’hydrogène opérationnelles d’ici 2025 et 900 d’ici 2030[20].

Le géant automobile japonais et partenaire de longue date d’Abdul Latif Jameel, Toyota Motor Corporation, maintient depuis longtemps que la technologie de pile à combustible utilisant l’hydrogène pourrait alimenter un large éventail de types de véhicules, et s’attend à ce que les ventes mondiales de véhicules électriques à pile à combustible augmentent de manière significative au cours de la prochaine décennie. Conformément à ces attentes, la société prévoit de produire plus de 30 000 voitures électriques à pile à combustible chaque année d’ici la fin de l’année 2021[21], soit une hausse importante par rapport à 3 000 par an en 2018.

En fait, c’est le véhicule Toyota Mirai alimenté à l’hydrogène, fourni par Abdul Latif Jameel, qui a été choisi pour lancer la première station de ravitaillement des piles à combustible utilisant l’hydrogène d’Arabie Saoudite dans le Parc scientifique Techno Valley de Dhahran en 2018[22]. C’est un signe évident que l’hydrogène comme source d’énergie gagne du terrain.

L’hydrogène ouvre la voie à de nombreuses avancées

Comment stockons-nous toute cette énergie hydrogène propre que nous espérons produire un jour, et comment l’utilisons-nous pour électrifier l’industrie et le transport ? Batteries et piles à combustible.

Ces technologies qui se chevauchent ont la capacité partagée de convertir l’électricité stockée en énergie chimique, prête à l’emploi quand et où elle est nécessaire.

Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), la capacité mondiale de fabrication de cellules de batterie s’est étendue de manière exponentielle ces dernières années, produisant 320 GWh de batteries pour les véhicules électriques (VE) chaque année à partir de 2020.[23] Cette production est plus que suffisante pour alimenter les 2,1 millions de VE vendus en 2019, mais tombe en deçà des 1 000 GWh de capacité nécessaires d’ici 2025, si les objectifs de vente de VE sont atteints. La Chine est un pionnier dans ce secteur, satisfaisant environ 70 % de la capacité mondiale, suivie par les États-Unis (13 %.)

En revanche, l’Europe est le chef de file de la production d’électrolyseurs pour l’énergie hydrogène, avec une capacité de fabrication annuelle de 1,2 GW, suffisante pour alimenter 500 000 voitures à pile à combustible. Le mouvement prend de l’ampleur, ITM Power étant en train d’achever la construction de la plus grande usine d’électrolyseurs au monde (devant produire 1 GW par an) à Sheffield, au Royaume-Uni, au début de l’année 2021.[24]

« L’idéal serait que les programmes de relance de l’énergie propre incluent la fabrication simultanée de batteries et d’électrolyseurs afin de profiter des avantages que représentent les effets de retombée des deux technologies », a fait savoir l’AIE.[25]

Chez Abdul Latif Jameel, nous sommes persuadés que les investisseurs privés peuvent encourager les gouvernements et les grandes entreprises à accélérer le programme écologique. Grâce à notre portefeuille technique de pointe axé sur la recherche exploratoire, nous sommes bien placés pour agrandir le champ de l’énergie hydrogène, grâce en partie à nos recherches pionnières dans le domaine des batteries de stockage d’énergie.

En novembre 2020, par l’intermédiaire du spécialiste des énergies renouvelables Fotowatio Renewable Ventures (FRV), qui fait partie d’Abdul Latif Jameel Energy, nous nous sommes lancés dans notre deuxième projet de batterie à l’échelle des services publics dans le comté du Sussex de l’Ouest, au Royaume-Uni. Le projet Contego de 34 MW, développé en partenariat avec Harmony Energy, intègre un système de 28 batteries lithium-ion Tesla Megapack.

Le projet Contego s’appuie sur la réussite de l’ancienne installation de batteries de 7,5 MW de FRV à Holes Bay, dans le comté du Dorset, et s’inscrit dans le cadre de son engagement continu à repousser les limites de l’énergie renouvelable, l’hydrogène y compris.

Un engagement qui a incité Fady Jameel, président délégué et vice-président, Abdul Latif Jameel, à saluer la détermination d’Abdul Latif Jameel « à façonner un modèle d’énergie durable et renouvelable dans le cadre de la transition continue du Royaume-Uni à partir des combustibles fossiles. »

Et nous devons réaliser cette transition, si nous avons l’intention de laisser une planète à la fois habitable et prospère pour nos générations futures. Le rôle de l’énergie hydrogène dans ce monde fantastique en quête de nouvelles sources d’énergie n’a pas encore été suffisamment mis en valeur.

Mais le potentiel de l’hydrogène vert pour alimenter de grands pans de notre société, de manière propre et durable, ne saurait être ignoré.

Les avancées technologiques dans le domaine de l’énergie hydrogène se généralisent.

Si la politique publique évolue tout aussi rapidement, nous pourrions véritablement assister à un remarquable bond de cet élément modeste qui sortirait de son tableau périodique pour atteindre un statut tout à fait grandiose sur la scène mondiale.

[1] https://www.vox.com/energy-and-environment/2018/2/16/16926950/hydrogen-fuel-technology-economy-hytech-storage

[2] https://webstore.iea.org/download/direct/2803?filename=the_future_of_hydrogen.pdf

[3] https://www.greentechmedia.com/articles/read/green-hydrogen-explained

[4] The Future of Hydrogen, IEA

[5] The Future of Hydrogen, IEA

[6] https://www.reuters.com/article/us-bp-hydrogen-australia-idUSKBN22K0IC

[7] https://www.smart-energy.com/renewable-energy/shell-eneco-announce-dutch-wind-powered-green-hydrogen-hub/

[8] https://www.ebrd.com/news/2020/is-green-hydrogen-the-sustainable-fuel-of-the-future-.html

[9] https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/ip_20_1259

[10] https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/ip_20_1259

[11] https://www.ebrd.com/news/2020/is-green-hydrogen-the-sustainable-fuel-of-the-future-.html

[12] https://www.irena.org/newsroom/articles/2019/Oct/Unprecedented-momentum-for-green-hydrogen

[13] https://www.rechargenews.com/transition/a-wake-up-call-on-green-hydrogen-the-amount-of-wind-and-solar-needed-is-immense/2-1-776481

[14] https://www.rechargenews.com/transition/a-wake-up-call-on-green-hydrogen-the-amount-of-wind-and-solar-needed-is-immense/2-1-776481

[15] https://www.ebrd.com/news/2020/is-green-hydrogen-the-sustainable-fuel-of-the-future-.html

[16] The Future of Hydrogen, IEA

[17] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2018/Sep/IRENA_Hydrogen_from_renewable_power_2018.pdf

[18] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2018/Sep/IRENA_Hydrogen_from_renewable_power_2018.pdf

[19] Japan: Taking a Lead in Hydrogen,

[20] Japan Sees Big Future in Hydrogen Cars

[21] Toyota plans to expand production, shrink cost of hydrogen fuel cell vehicles

[22] Saudi Aramco and Air Products to build Saudi Arabia’s first hydrogen fuel cell vehicle fueling station

[23] https://www.iea.org/articles/batteries-and-hydrogen-technology-keys-for-a-clean-energy-future

[24] https://renewablesnow.com/news/itm-power-moves-in-1-gw-per-year-electrolyser-plant-in-sheffield-726704/

[25] ^{https://www.iea.org/articles/batteries-and-hydrogen-technology-keys-for-a-clean-energy-future}