4477 – France – Production hydrogène … quels enjeux pour la transition énergétique ?

19/4/2021 – ARTIS GROUPE.FR

Pour freiner la diffusion des gaz à effets de serre, le développement des énergies renouvelables apparaît comme une solution nécessaire. C’est en ce sens que la filière de la production d’hydrogène, elle aussi, connaît une accélération croissante.

En effet, les acteurs industriels sont de plus en plus nombreux à produire de l’hydrogène. Mais comment est produit l’hydrogène aujourd’hui ? Quel est son rôle dans la transition énergétique ? C’est ce que nous allons développer dans cet article.

Production d’hydrogène en France … de quoi parle-t-on ?

L’hydrogène en tant que vecteur d’énergie est intéressant à bien des égards. Mais quand on parle de production d’hydrogène, de quoi parle-t-on ? Et quels sont les enjeux du développement de cette filière ?

Qu’est-ce que la production d’hydrogène ?

La production d’hydrogène, ou dihydrogène H2, est un procédé chimique qui permet de séparer l’hydrogène de l’oxygène ou du carbone.

À l’état naturel, dans l’univers, on retrouve de lhydrogène, mais il n’y a pas de “mine d’hydrogène”. Naturellement, l’hydrogène est souvent associé à d’autres éléments. C’est pourquoi sa séparation est essentielle.

En produisant de l’hydrogène, on produit un vecteur d’énergie qui sert à de nombreux usages.

Après avoir été produit, il peut être stocké, transporté, puis utilisé. Par exemple, l’hydrogène est utilisé dans l’industrie pour fabriquer de l’ammoniac ou du verre. Les piles à combustibles utilisent aussi l’hydrogène pour fonctionner, ce dernier étant le combustible.

Le processus de production d’hydrogène est industrialisé. Il permet de créer :

  • L’hydrogène dit “gris” : il se fait par un procédé d’extraction chimique et de transformation d’énergies fossiles comme le gaz naturel, le pétrole ou le charbon. Il représente à ce jour plus de 94% de la production totale

  • L’hydrogène “bleu” ou bas carbone” qui est produit à partir de combustibles fossiles avec captage du carbone

  • L’hydrogène dit “vert” (Lien vers article : Qu’est-ce que l’hydrogène vert ?) ou l’hydrogène “bas carbone” est produit à partir de sources d’énergies renouvelables, par traitement de biogaz ou par conversion biochimique de la biomasse

On parle dhydrogène décarboné lorsqu’il est fabriqué à partir de l’électrolyse de l’eau, avec de l’électricité renouvelable. Sa production comme son utilisation n’engendrent pas de CO2.

Quels sont les avantages et le potentiel de l’hydrogène ?

Les caractéristiques du dihydrogène en font un vecteur d’énergie intéressant qui peut être utilisé dans de nombreux secteurs.

À titre d’exemple, en France, plus de 900 000 tonnes d’hydrogène sont produites chaque année. Le potentiel d’extension de cette filière est important.

En effet, l’un des principaux avantages de l’hydrogène est la réduction des émissions de CO2 au niveau de sa production et de son utilisation.

L’hydrogène, fabriqué de façon “propre”, pourrait jouer un rôle majeur pour relever les défis climatiques et environnementaux que nous devons résoudre actuellement.

Par exemple, le cadre du Pacte vert pour l’Europe (European Green Deal), donne la neutralité carbone de l’Union Européenne comme un objectif d’ici 2050. L’hydrogène pourrait servir cet objectif car sa production à bas carbone permet une réduction de l’émission des gaz à effet de serre.

Production d’hydrogène : le cadre en France

Depuis quelques années, le secteur de la production d’hydrogène est au cœur des débats et des nouvelles lois autour de la transition énergétique.

Voici quelques dates clés qui marquent le développement du secteur en France :

  • En 2015, la Loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte fixait un cap pour l’horizon 2030. À savoir : augmenter la part d’énergies renouvelables dans la consommation d’énergie et la production d’énergie. L’hydrogène étant une solution pour y parvenir.

  • En 2018, le plan hydrogène français lancé par l’État a permis de soutenir et structurer la filière hydrogène avec différentes étapes : le soutien à la recherche publique, un programme d’investissements : le Programme d’investissement d’avenir (PIA), le soutien de l’ADEME et le soutien aux projets de déploiements de l’hydrogène auprès des collectivités

  • En septembre 2020, le gouvernement a présenté la Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné. Sept milliards d’euros vont être investis pour développer la décarbonation de l’industrie, les mobilités lourdes et le soutien à la recherche

  • Janvier 2021 marque la création d’un Conseil national de l’hydrogène dont l’objectif est d’assurer la mise en oeuvre de la Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné

Les différentes modes de production pour fabriquer l’hydrogène

L’hydrogène étant peu présent à l’état naturel, nous devons utiliser des moyens industriels pour produire l’hydrogène. Les méthodes que nous présentons ci-dessous sont les plus courantes. On parle du vaporeformage du gaz naturel, de la production à partir de la biomasse ou de l’électrolyse.

Le vaporeformage du gaz naturel

Produire de l’hydrogène par vaporeformage du gaz naturel est une technique répandue et la plus utilisée au monde. On parle aussi de reformage du gaz naturel à la vapeur d’eau.

Pour produire de l’hydrogène à partir de cette technique, il s’agit de mélanger du gaz naturel qui contient du méthane CH4 avec de l’eau à haute température (plus de 840°C jusqu’à 950°C) et sous haute pression.

La réaction qui se produit permet de créer d’une part l’hydrogène et de l’autre du dioxyde de carbone (CO2). En utilisant cette technique de production d’hydrogène, on ne peut parler d’une énergie propre puisque la création d’1 kg d’hydrogène engendre l’émission de 9 kg de dioxyde de carbone CO2.

La production à partir de la biomasse

La biomasse constitue une autre ressource à exploiter pour assurer la production d’hydrogène. Tout d’abord, par biomasse, on parle de la masse totale des organismes vivants. Ces derniers sont composés de carbone et d’hydrogène.

Ainsi, l’utilisation de la matière organique de ces organismes vivants est une source d’énergie que l’on commence à exploiter. Par exemple par la méthanisation des déchets municipaux (ordures ménagères, graisses d’épuration, algues vertes…) , industriels (déchets de laiteries et abattoirs) ou encore agricoles (déjections d’animaux).

C’est grâce à l’utilisation de ces matières organiques que l’on peut produire du biogaz qui contient du méthane. Ensuite, des procédés industrialisés comme le vaporeformage précédemment cités permettent de purifier le gaz et de mettre de côté l’hydrogène.

On parle alors d’hydrogène vert car le gaz provient d’une source naturelle.

L’électrolyse de l’eau

‍Il est également possible de produire de l’hydrogène à partir de lélectricité et de l’eau. Cette technique se nomme lélectrolyse de l’eau.

Il s’agit d’utiliser un courant électrique pour décomposer l’eau (H2O) en dioxygène (O2) et en dihydrogène (H2).

Cette méthode de production d’hydrogène n’est pas la plus répandue car les coûts de production sont importants. Le coût de l’hydrogène fabriqué avec l’électrolyse à haute température peut être jusqu’à quatre fois supérieur au coût de l’hydrogène fabriqué à partir du méthane.

Lorsque l’électrolyse est réalisée à partir d’électricité provenant de sources qui n’émettent pas de CO2, provenant d’énergies renouvelables, l’hydrogène créé n’engendre pas de gaz à effet de serre.

Les perspectives de déploiement de cette technologie sont encourageantes grâce à la réduction du coût des électrolyseurs à venir. Cette technique devrait largement être diffusée d’ici à l’horizon 2035.

Les techniques de production de l'hydrogène

Production d’hydrogène en France : quels sont les enjeux ?

Aujourd’hui, l’hydrogène est utilisé majoritairement pour lindustrie (Lien vers article : Hydrogène production industrielle : toutes les particularités). Les évolutions dans le domaine permettent d’entrevoir d’autres grands secteurs pour lesquels l’hydrogène sera un outil de taille : le transport du futur ou encore le soutien à la production d’énergies renouvelables.

L’utilisation de l’hydrogène dans l’industrie

Lhydrogène produit est utilisé comme matière première dans de nombreux domaines industriels.

Dans l’industrie chimique, par exemple, l’hydrogène est une composante essentielle dans la production d’ammoniac ou de méthanol.

L’hydrogène est aussi un élément très apprécié pour travailler les métaux. Il sert notamment à créer des gaz de protection pour réaliser le traitement thermique de certains métaux.

L’industrie de l’acier et du verre est aussi une industrie qui utilise l’hydrogène très largement. L’hydrogène est employé dans d’autres secteurs : pour créer des fibres textiles comme le nylon ou dans la production de matières plastiques.

Enfin, les raffineries, pour créer des produits pétroliers (essence, diesel, kérosène…), sont aussi des consommatrices d’hydrogène. L’hydrogène étant un réactif dans les procédés de raffinage des produits bruts en carburants.

L’enjeu aujourd’hui est donc d’une part de produire de l’hydrogène pour tous ces domaines industriels très consommateurs en énergie. Mais également de substituer des procédés industriels qui utilisent des énergies fossiles par l’utilisation de l’hydrogène décarboné.

Par exemple, dans la fabrication d’acier, en réduisant la part d’utilisation du charbon. C’est le cas du projet d’ArcelorMittal, numéro un mondial de la sidérurgie, qui a lancé dans une usine pilote, le projet de produire de l’acier avec les plus basses émissions de CO2 grâce à la technologie d’hydrogène.

Enfin, il s’agit également de réussir à stocker l’hydrogène pour être utilisé dans toutes les industries, au moyen de stations hydrogène par exemple.

La production d’hydrogène pour décarboner le secteur des transports

L’hydrogène a un rôle important à jouer pour décarboner le secteur des transports  dans le cadre de la transition énergétique. C’est un vecteur d’énergie de choix pour passer à une mobilité plus propre.

En effet, tous les véhicules électriques qui sont équipés d’une pile à combustible utilisant l’hydrogène pour créer de l’électricité pourraient permettre de rendre la mobilité plus propre. Mais cela est valable seulement si l’hydrogène est produit à partir de sources décarbonées.

Les véhicules à hydrogène ainsi que les stations de recharge fleurissent partout en France. Le réseau commence à se densifier et devrait atteindre pas moins de 600 stations de recharge en 2030.

L’hydrogène offre aussi une alternative comme carburant pour agir sur les véhicules avec un moteur à combustion interne fonctionnant au gaz comme le cas des bus de ville par exemple. C’est aussi le cas pour les véhicules électriques. Ainsi, les voitures hybrides qui fonctionnent avec de l’électricité et de l’hydrogène rechargent leur batterie avec la circulation.

Du côté du transport collectif, l’enjeu est aussi de taille car l’hydrogène pourrait permettre de rouler avec une énergie décarbonée. C’est par exemple le cas du train à hydrogène, des bus à hydrogène, des bateaux à hydrogène.

La production d’hydrogène et énergies renouvelables : le cas du power-to-gas

Les énergies renouvelables représentent une vraie solution face aux enjeux écologiques et à la problématique de la réduction de CO2. En revanche, ces énergies ont deux désavantages : elles dépendent des conditions climatiques et cette intermittence (manque de soleil ou de vent) les rend difficiles à stocker.

Or, l’hydrogène pourrait constituer une solution intéressante à ce problème de stockage de l’électricité. En effet, avec la technologie du “power-to-gas” (conversion d’électricité en gaz), il est possible de stocker le surplus d’énergie issue des énergies renouvelables en les transformant en hydrogène grâce à l’électrolyse de l’eau.

Ainsi, une fois stocké, l’hydrogène peut être injecté dans les réseaux de gaz naturel afin de chauffer les villes ou encore être converti en électricité avec les piles à combustibles.


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