Hydrogène vert : un levier vers la neutralité carbone

publié le 05/07/2022 | mis à jour le 31/08/2023 | par L'équipe Choisir.com

Qu’est-ce l’hydrogène vert ?

L’hydrogène peut être produit avec des énergies fossiles ou grâce à la technologie de l’électrolyse de l’eau. Il est dit « vert » lorsqu’il est produit par électrolyse et à partir d’énergies renouvelables.

D’où vient l’hydrogène vert ?

L’hydrogène est un gaz invisible et indolore présent en grande quantité sur terre. Il entre notamment dans la composition de l’eau. Cependant, il est très rarement présent à l’état pur dans notre environnement. Il est donc nécessaire de le produire. S’il existe de l’hydrogène dit « natif » dans des formations géologiques, celui-ci reste très peu exploré pour le moment. De plus, des conditions très particulières sont nécessaires pour que cette molécule se développe dans le sous-sol.

Une quantité très importante d’énergie doit donc être utilisée pour séparer l’hydrogène des autres éléments. De plus, la particularité de l’hydrogène est sa faible densité, nécessitant de le comprimer ou de le liquéfier en ayant encore recours à de l’énergie.

Pour produire de l’hydrogène dit « vert », les sources d’énergie utilisées doivent être d’origine renouvelable (éolien, solaire, hydraulique, etc.). Il est également possible d’obtenir de l’hydrogène décarboné en utilisant de l’électricité issue du nucléaire. Toutefois, la majorité de l’hydrogène produit aujourd’hui n’est pas vert ou bas-carbone.

Comment est produit l’hydrogène ?

L’hydrogène peut être produit grâce à plusieurs procédés et à différentes sources d’énergie. En fonction du type d’énergie utilisée dans sa production, l’hydrogène peut ne pas être considéré comme « propre ».

La production d’hydrogène à partir d’énergie fossile

Actuellement, 96 % de l’hydrogène est produit à partir de ressources fossiles, notamment le gaz naturel, le charbon et les hydrocarbures. Les procédés utilisés sont alors, l’oxydation d’hydrocarbures ou la gazéification du charbon. Par conséquent, sa production est très carbonée. Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), elle représente environ 830 millions de tonnes d’émissions de CO2 dans le monde chaque année. L’hydrogène produit à partir d’énergie fossile est parfois qualifié d’hydrogène « gris ».

De quantités importantes d’hydrogène sont déjà utilisées, principalement dans la chimie ou le raffinage (environ 900 000 tonnes par an en France). Sa production représente 3 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) nationale, soit environ 11,5 millions de tonnes de CO2.

La production d’hydrogène vert par électrolyse

La production d’hydrogène par électrolyse consiste à le produire à partir de l’eau, grâce à un apport en électricité. Cette technologie n’est pas récente puisque la majorité de l’hydrogène industriel était produit de cette manière entre les années 1920 et 1960.

L’électrolyse de l’eau permet de décomposer les molécules d’eau (H2O) en dihydrogène (H2) et en oxygène (O) (lorsque l’on parle d’hydrogène, il est en réalité question de dihydrogène). Cette réaction chimique n’émet alors que de l’eau.

L’enjeu est aujourd’hui de produire de l’hydrogène en émettant moins de CO2 qu’avec sa production actuelle. Grâce à la technologie de l’électrolyse, il est possible d’avoir de l’hydrogène décarboné. L’émission de 6 millions de tonnes de CO2 pourrait alors être évitée.

L’hydrogène vert est-il vraiment propre ?

L’hydrogène est un combustible propre. Cependant, pour savoir s’il est réellement « vert » et bas-carbone, il est nécessaire de prendre en compte ses émissions de polluants et de CO2 sur son cycle de vie complet. L’origine de l’électricité utilisée pour la production de l’hydrogène par électrolyse est notamment essentielle.

En effet, si l’électricité utilisée pour l’électrolyse est produite à partir d’une source d’énergie renouvelable (éolien, solaire, hydraulique, etc.), la production d’hydrogène n’émet pas de gaz à effet de serre ou de polluants. Il est alors possible de véritablement parler d’hydrogène vert. Son développement va donc de paire avec celui des énergies renouvelables (ENR).

Au niveau mondial, l’hydrogène vert constitue uniquement 1 % de l’hydrogène produit chaque année. Cette production est donc encore très marginale.

Les utilisations de l’hydrogène

L’hydrogène est notamment utilisé pour ses propriétés chimiques dans l’industrie (pétrolière et chimique). Cette molécule peut aussi être employée pour la production d’énergie sur le réseau ou dans les transports. Il s’agit également d’une solution pour le stockage de l’énergie (notamment l’électricité). Ce dernier point constitue un défi majeur dans la transition énergétique, avec le développement des énergies renouvelables.

L’hydrogène comme réactif

Dans le secteur industriel, l’hydrogène est déjà utilisé en tant que réactif, notamment pour :

• la production d’engrais (ammoniac) ;
• le raffinage d’hydrocarbures ;
• la production d’acier ;
• les procédés à haute température (comme la production de verre).

La majorité de l’hydrogène utilisé aujourd’hui dans l’industrie est produit à partir de gaz naturel ou de charbon. Le marché mondial de l’hydrogène industriel est aujourd’hui de 70 millions de tonnes par an. Celui de la France atteint, quant à lui, 1 million de tonnes. Remplacer cet hydrogène gris par de l’hydrogène vert permettrait à ce secteur de faire baisser ses émissions de gaz à effet de serre pour obtenir un meilleur bilan énergétique. Le Gouvernement a pour objectif d’augmenter de 10 % la production d’hydrogène décarboné dans les usages industriels d’ici 2023, et de 20 à 40 % à l’horizon 2028.

L’hydrogène comme vecteur énergétique

L’hydrogène peut être utilisé comme vecteur énergétique, notamment dans le secteur des transports et le stockage d’énergie renouvelable.

Dans le secteur des transports

L’hydrogène vert est souvent qualifié de « carburant du futur ». Renfermant trois fois plus d’énergie que l’essence, il peut être une solution pour remplacer les moteurs thermiques.

En tant que vecteur énergétique, l’énergie contenue par l’hydrogène peut être récupérée de deux manières :

• par combustion : en brûlant de l’hydrogène, de l’énergie est produite. Il est alors utilisé comme un carburant synthétique, dont la combustion, contrairement à celle de l’essence, n’émet pas de CO2 ;
• avec une pile à combustible : en couplant de l’hydrogène à un apport d’air dans une pile à combustible, de l’électricité peut être produite. Cette production ne rejette également aucun gaz à effet serre, uniquement de l’eau.

Dans le cas des transports, l’hydrogène peut permettre de produire de l’électricité à partir d’une pile à combustible placée dans un véhicule électrique. Les solutions basées sur l’hydrogène interviennent en complément de celles qui fonctionnent grâce à une électrification « tout batterie ». Elle peut être particulièrement intéressante pour les transports lourds et les usages qui nécessitent des temps de recharge rapide, comme dans l’aviation, le transport maritime ou routier. Une dizaine de trains à hydrogène ont notamment été commandés par la SNCF dans l’objectif de les faire circuler sur des lignes non-électrifiées d’ici 2025.

Pour le stockage de l’énergie

Une fois que l’hydrogène est produit par électrolyse, il peut être stocké sous forme gazeuse ou liquide avant de produire de l’électricité à l’aide d’une pile combustible. Ainsi, l’électricité d’origine renouvelable produite en surplus peut être transformée en hydrogène par électrolyse de l’eau, avant d’être de nouveau convertie en électricité.

Cette particularité de l’hydrogène, permet de pallier à la problématique du stockage de l’énergie. Cet enjeu est essentiel dans l’intégration massive des énergies renouvelables non-pilotables dans le mix énergétique. En effet, ces dernières ne permettent pas de produire de l’électricité en continu. Par exemple, les éoliennes fonctionnent uniquement quand il y a du vent et le photovoltaïque permet de produire de l’énergie seulement lorsqu’il y a assez de soleil. Le stockage de l’hydrogène permettrait donc un approvisionnement en énergie lorsque le soleil et le vent sont moins présents. La stabilité des réseaux énergétiques pourrait ainsi être assurée.

Dans le réseau de gaz naturel

De l’hydrogène peut également être injecté dans le réseau de gaz naturel afin de décarboner le système gazier et de réduire la dépendance aux énergies fossiles.

De plus, le stockage d’énergie permet d’utiliser l’électricité convertie en hydrogène en l’injectant dans le réseau gazier. L’électricité qui aurait été perdue peut ainsi être valorisée. On parle alors de « Power to gas ».

Divers projets sont à l’étude, notamment aux Pays-Bas, qui envisagent de remplacer le gaz naturel par de l’hydrogène. Plusieurs projets d’expérimentation sont également en cours en France, comme GRHYD et JUPITER 100. La construction de nouvelles infrastructures et l’adaptation du réseau de gaz seront nécessaires pour permettre l’acheminement de l’hydrogène.

Pour produire de l’électricité

Des expérimentations sont déjà en cours dans les zones interconnectées (ZNI), les territoires isolés du réseau électrique de la France continentale :

• la Corse ;
• les départements et régions d’outre-mer (Guadeloupe, Mayotte, La Réunion) ;
• les collectivités territoriales (Martinique, Guyane, Saint-Barthélémy, Saint-Martin) ;
• certaines collectivités d’outre-mer (Saint-Pierre-et-Miquelon, Wallis et Futuna, etc.) ;
• les îles du Ponant (les îles de Ouessant, Molène, Sein et Chausey).

Ces derniers sont jugés prioritaires dans le déploiement de ces nouvelles solutions du fait des fortes contraintes liées à leur mix énergétique, à la gestion et à l’approvisionnement de leur réseau électrique.

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Les enjeux du développement de l’hydrogène vert

Le développement de l’hydrogène vert est un enjeu scientifique, environnemental et économique. Il doit notamment permettre à la France d’atteindre les objectifs :

• de développement des énergies renouvelables : en permettant le stockage d’électricité ;
• de réduction des émissions de gaz à effet de serre et de polluants : grâce à la mobilité propre, un des objectifs majeurs de la transition énergétique, et en décarbonant les usages industriels existants de l’hydrogène ;
• de réduction des consommations d’énergie fossile : en injectant de l’hydrogène dans le réseau de gaz naturel.

Conformément à la loi sur la transition énergétique pour la croissance verte, l’objectif d’un taux de 32 % d’énergie renouvelable dans la consommation finale brute d’énergie, et de 40 % dans la production d’électricité est à atteindre d’ici 2030. La consommation d’énergies fossiles doit également être réduite de 30 % d’ici cette date, et 10 % du gaz doit être décarboné. L’hydrogène vert pourrait donc constituer un levier intéressant pour atteindre ces objectifs et permettre à la France d’arriver à une réduction de 40 % des émissions de CO2 d’ici 2030, puis à la neutralité carbone à l’horizon 2050.

Les avantages de l’hydrogène vert

L’engouement pour l’hydrogène vert s’explique par les avantages qu’il présente, notamment d’un point de vue environnementale et économique.

De l’hydrogène bas-carbone et renouvelable

L’hydrogène est un gaz qui n’est ni polluant ni toxique. De plus, il ne rejette que de l’eau lors de sa production et ne participe donc pas à l’effet de serre. Toutefois, cela implique que l’électricité utilisée pour l’électrolyse de l’eau soit bien d’origine renouvelable. Il est donc important de considérer le mix électrique du pays pour évaluer l’impact complet de l’hydrogène.

D’après RTE (le Réseau de transport d’électricité ), « l’intensité carbone du mix électrique français demeure l’une des plus faibles du monde (intensité carbone de 36 g CO2/kWh, soit 6 fois moins que la moyenne européenne) ». La France a donc un avantage pour développer de l’hydrogène bas-carbone.

De plus, les énergies renouvelables doivent occuper une place de plus en plus importante dans le mix énergétique à l’avenir. Cette stratégie du Gouvernement pour atteindre les objectifs fixés dans le cadre de la transition énergétique va de paire avec les moyens de stockage d’électricité qu’apporterait le déploiement de l’hydrogène vert.

De nouvelles filières pour l’hydrogène vert

La production d’hydrogène par électrolyse devrait permettre de créer une filière industrielle qui générerait entre 50 000 et 150 000 nouveaux emplois en France d’ici 2030. L’hydrogène bas-carbone représente donc un fort intérêt économique.

En parallèle, un soutien à la recherche dans cette filière est également mis en place, ainsi que de nouvelles offres de formation.

Diminuer la dépendance aux énergies d’importation grâce à l’hydrogène vert

Le développement de l’hydrogène décarboné est également accompagné d’enjeux de souveraineté énergétique. Il permettrait de réduire la dépendance du pays vis-à-vis des importations d’hydrocarbures (pétrole et gaz). La crise en Ukraine a notamment eu pour conséquence d’accélérer le déploiement de gaz renouvelables pour l’Union européenne, notamment l’hydrogène vert et le biométhane.

Les inconvénients de l’hydrogène vert

Si les avantages de l’hydrogène bas-carbone sont incontestables, certaines problématiques restent encore à résoudre.

Une quantité importante d’électricité pour la production d’hydrogène vert

De grandes quantités d’énergie sont nécessaires pour faire de l’hydrogène. D’après l’Agence internationale pour les énergies renouvelables, 400 Mt d’hydrogène vert devrait être produit pour atteindre la neutralité carbone d’ici 2050. 21 000 térawattheures (TWh) d’électricité seraient alors nécessaires, chaque année, pour cette production.

A l’échelle de la France, il faudrait 50 TWh d’électricité (soit 1/10ème de l’électricité produite en France) pour produire par électrolyse l’hydrogène aujourd’hui produit à partir de ressources fossiles. Une quantité importante d’électricité supplémentaire est donc indispensable pour produire de l’hydrogène bas-carbone. Cette transformation devrait donc prendre un certain nombre d’années.

De faibles rendements

Toute transformation s’accompagne de pertes, il est important de les considérer quand on réfléchit à l’utilité de ces transformations. La production d’hydrogène par électrolyse entraîne des pertes énergétiques d’environ 30 %. Au moment où l’hydrogène est utilisé pour produire de l’électricité 30 à 40 % d’énergie est encore perdu dans la conversion.

Des recherches sont actuellement en cours pour trouver une solution à ces déperditions (notamment avec la technique de « l’électrolyte solide »). Toutefois, le problème n’a pas encore été résolu. D’autres pistes sont explorées concernant la possibilité d’utiliser les pertes d’énergie, qui se font sous forme de chaleur, pour alimenter les réseaux de chaleur.

Les ressources en eau nécessaires à la production d’hydrogène vert

Il faut au moins 9 kg d’eau par kg d’hydrogène produit par électrolyse. Le besoin en eau est alors doublé par rapport à l’hydrogène produit à partir d’énergie fossile (par gazéification du charbon ou oxydation d’hydrocarbures). Toutefois, les besoins en eau sont courants dans l’industrie. Elle est notamment indispensable pour produire de l’électricité dans le cas des centrales fossiles ou nucléaires (refroidissement).

Si l’ensemble de la production d’hydrogène se faisait par électrolyse, l’eau nécessaire représenterait uniquement 1 % de l’eau utilisée aujourd’hui par le secteur de l’énergie dans le monde. De plus, il est possible d’utiliser de l’eau de mer pour l’électrolyse en la dessalant. Ce procédé représenterait seulement 1 % du coût final de l’hydrogène produit à partir d’eau désalinisée.

Ce problème peut se poser pour les régions où il y a déjà des tensions autour des ressources en eau, lorsqu’il y a une inadéquation entre les besoins et l’eau disponible.

Des risques d’accidents

L’hydrogène est un gaz inflammable et explosif. De plus, il présente davantage de risques de fuite que les autres gaz. En effet, les réservoirs conçus pour le contenir ne peuvent pas être totalement étanches.

Toutefois, des normes adaptées sont établies grâce aux retours d’expérience, notamment en station-service distribuant de l’hydrogène. Des réglementations sont mises en place pour accompagner le déploiement de cette nouvelle filière en assurant la sécurité des utilisateurs.

Des coûts de production élevés

Le coût de la production d’hydrogène vert est un défi qu’il est essentiel de relever pour son développement. En effet, celle-ci coûte en moyenne entre 5 et 10 € le kilo. Ce prix varie en fonction de la taille et de la nature de l’unité de production. Le coût de la production d’hydrogène vert est donc élevé. Par conséquent, l’hydrogène « gris » avec un prix de 1,50 à 2 €, reste encore dominant.

Le plein d’un bus fonctionnant avec de l’hydrogène vert coûte deux fois plus cher qu’avec du gasoil. Cet écart pourrait cependant se réduire au cours des prochaines années. Selon le Conseil National de l’Hydrogène (CNH), le prix de l’hydrogène vert pourrait être divisé par deux d’ici 2030 si :

• des électrolyseurs sont déployés massivement : ce qui ferait baisser leur coût ;
• l’éolien en mer se développe davantage : pour faire chuter le prix de l’électricité d’origine renouvelable.

De nombreux investissements dans l’hydrogène vert

L’installation d’électrolyseurs de grande puissance est encouragée par la Commission européenne qui souhaite « réindustrialiser l’Europe tout en respectant l’impératif climatique ». La France, comme de nombreux autres pays (Allemagne, Royaume-Uni, Espagne, Italie, Pays-Bas, etc.), ont publié des plans de développement de l’hydrogène vert. Le Japon, la Corée du Sud et la Chine se penchent également sur cette solution.

Dans le cadre du plan France Relance, 7 milliards d’euros sont investis pour construire une filière industrielle d’hydrogène d’ici 2030. L’importance des sommes engagées dans le déploiement de l’hydrogène vert pourrait permettre de déboucher sur des avancées technologiques, d’améliorer les rendements et de diminuer les coûts.

Bien que de nombreuses questions se posent encore, l’hydrogène vert présente des pistes prometteuses pour la transition énergétique.

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