Protection du climat : quelles fonctions peut remplir l'hydrogène et quelles sont ses limites ?

Pourquoi nous intéressons-nous à l'hydrogène ?

L'hydrogène est souvent qualifié de « couteau suisse » de la transition énergétique et de la décarbonation, tant il est polyvalent : on peut le brûler pour chauffer ou alimenter des moteurs, il peut produire de l'électricité dans des piles à combustible et il a de nombreuses applications dans l'industrie. Il est utilisé pour produire de l'engrais, il peut rendre la production d'acier plus respectueuse du climat et il sert d’alternative au pétrole comme matière première dans l'industrie chimique^1,2.

Mais l'hydrogène sur Terre est très souvent combiné à d'autres éléments. Il faut donc produire de l’hydrogène avant de pouvoir l’utiliser. Jusqu'à présent, on utilise surtout le gaz fossile  comme source pour produire de l’hydrogène. Et cette méthode de production génère beaucoup d'émissions de CO₂.

Il est aussi possible de produire de l'hydrogène en décomposant l'eau (H₂O) à l'aide d’un courant électrique. Cette production devra à l'avenir se faire de la manière la plus écologique possible, à l'aide d'électricité renouvelable. Mais ce procédé n’est pas du tout efficace. Et il engendre des pertes d'énergie importantes. Ne serait-il pas préférable d'utiliser directement de l'électricité renouvelable et d'éviter les pertes d'énergie ? Pourquoi envisageons-nous de passer par l'hydrogène ? Pourquoi certains le vantent-ils comme un élément incontournable de la transition énergétique ?

Les énergies renouvelables, telles que l'énergie éolienne et l’énergie solaire, fournissent de l'électricité. C'est pourquoi on essaie d'électrifier autant que possible nos systèmes énergétiques : on abandonne le chauffage au gaz au profit des pompes à chaleur, on remplace les voitures à moteur à combustion par des voitures électriques, etc. Alors que la combustion d'énergies fossiles telles que le gaz naturel, le pétrole ou le charbon émet beaucoup de CO₂, il sera possible, du moins en théorie, de produire un jour toute l'électricité grâce aux énergies renouvelables, c'est-à-dire en générant peu d’émissions de CO₂^3,4_.

Mais la transition énergétique fait face à un problème de stockage. En effet, les énergies renouvelables ne fournissent pas d'électricité en continu. L’électricité n'est pas toujours produite au moment où on en a besoin. Et les jours de grand vent et de grand soleil, il arrive que la production d’électricité dépasse les besoins. Dans ce cas, les éoliennes sont désactivées. Est-ce vraiment nécessaire ? Ne serait-il pas préférable de stocker l'énergie électrique excédentaire sous la forme d'hydrogène, qui pourrait au besoin être utilisé pour produire de l'électricité dans des piles à combustible ou des centrales à hydrogène ? Ou vaut-il mieux miser sur de grandes batteries de stockage ou d'autres solutions ?

Et qu'en est-il de l'hydrogène comme carburant alternatif respectueux du climat pour les cargos et les avions ? Est-il également adapté aux bus et camions, voire aux voitures ?

De plus, certains processus industriels utilisent l'hydrogène comme élément chimique pour des réactions chimiques ou pour la production d'acier. Actuellement, on utilise surtout de l'hydrogène produit à partir de gaz naturel, un procédé qui libère beaucoup de CO₂ néfaste pour le climat. Pour cette raison, il est impératif que ces secteurs industriels passent rapidement à l'hydrogène produit à partir d'électricité éolienne ou solaire. Mais un tel scénario est-il réaliste ?

Dans cet article, nous examinons le rôle que l'hydrogène devrait jouer dans l'économie énergétique de demain et dans la décarbonation. Quelles fonctions peut remplir l'hydrogène et quelles sont ses limites ? Où en est le développement des technologies et que manque-t-il dans leur mise en œuvre ? Avant d'aborder les applications possibles, nous allons d’abord expliquer brièvement d'où provient aujourd'hui l'hydrogène et ce que l’avenir nous réserve à ce sujet.

Deux experts du Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) ont donné leurs conseils pour la rédaction de cet article.

Comment l'hydrogène sera-t-il obtenu ?

Jusqu’à présent, l'hydrogène est produit à 99 % à partir de sources fossiles⁵, notamment à partir de gaz naturel (qui est lui-même principalement composé de méthane (CH₄)). Le méthane est décomposé par un procédé chimique qui libère de l'hydrogène, mais aussi une grande quantité de CO₂. Cet hydrogène, appelé « hydrogène gris » en raison des effets climatiques néfastes liés à la production à partir de gaz naturel fossile, ne devrait plus être produit à l'avenir.

Mais on trouve aussi de l'hydrogène dans des gisements souterrains^8,9,10. Mais jusqu'à présent, il n’a guère suscité d'intérêt, car on ne cherchait systématiquement que du gaz naturel et du pétrole. L'un des plus grands réservoirs d'hydrogène « géologique » au monde se trouverait dans des réserves souterraines en Lorraine, en France¹¹. Dans le secteur de l'énergie, une véritable « ruée vers l'hydrogène » s'est produite et des forages d'essai sont effectués à la hâte dans le monde entier. Dans un avenir proche, nous ne pouvons toutefois pas compter sur l'hydrogène présent naturellement dans le sol. Pour l’instant, il est impossible de connaître l’abondance des gisements d’hydrogène et de savoir s’il sera facile d’extraire l’hydrogène en grandes quantités.

Reste l'électrolyse, c'est-à-dire le procédé qui permet d’obtenir de l’hydrogène à partir d'eau en utilisant un courant électrique. C'est une expérience simple que beaucoup connaissent encore de l'école¹² : dans un récipient d’eau, on plonge deux fils reliés à une source de tension, par exemple une batterie. Pour garantir la conductivité de l’eau, on ajoute un peu de sel dans la version la plus simple de l'expérience. Sur le fil relié au pôle négatif, de petites bulles de gaz apparaissent et remontent, qui peuvent être recueillies dans une éprouvette retournée : c'est de l'hydrogène. Il provient de l'eau, car la molécule d'eau se compose de deux atomes d'hydrogène et d’un atome d'oxygène, qui est scindée lors de l'électrolyse. Traduit, le mot « électrolyse » ne signifie rien d'autre que « dissoudre avec de l'électricité ». Si l'électricité provient de sources d'énergies renouvelables, la production d'hydrogène ne génère pratiquement pas de CO₂¹³.

Figure 1 : L'électrolyse. Dans un récipient, de l'eau (H₂O) est décomposée à l'aide d’un courant électrique (représenté ici par une icône en forme d'éclair). Dans ce processus, on obtient uniquement de l’hydrogène (H_₂) et de l’oxygène (O_₂), qui s’accumulent sous la forme de bulles gazeuses aux pôles négatif (cathode) et positif (anode).

Le principe de l’électrolyse est connu depuis plus de 200 ans¹⁴ et n’a cessé d’être perfectionné, si bien qu'il existe aujourd’hui plusieurs procédés¹⁵. Aucun d'entre eux n'est encore optimal à ce jour, soit parce qu'ils font appel à des métaux précieux tels que le platine pour la catalyse, soit parce que les installations ont une durée de vie courte, soit parce qu'elles ne produisent que peu d'hydrogène. De nombreux travaux de recherche et de développement sont donc en cours dans ce domaine, y compris au Luxembourg. Il existe aujourd’hui des procédés d'électrolyse expérimentaux avec des rendements en hydrogène très élevés¹⁶ et des expériences sont en cours pour scinder l’eau directement à l’aide de la lumière du soleil^17,18,19.

Bien que très prometteur, tout cela demeure pour l’instant peu efficace. Actuellement, la planification d'une économie de l'hydrogène doit s’appuyer sur les systèmes existants, dans lesquels près d’un tiers de l'énergie injectée est malheureusement perdue sous la forme de chaleur. Et ces pertes se répercutent sur les coûts. En effet, l’hydrogène produit à partir d'électricité renouvelable, donc « vert », est actuellement environ trois fois plus cher que l'hydrogène « gris » produit à partir de gaz naturel fossile^20,21.

Pour produire de grandes quantités d'hydrogène et réduire les coûts de production, une grande partie devrait à l’avenir être obtenue dans des pays à fort potentiel éolien et solaire, tels que le Maroc, le Chili, l'Australie ou encore la Namibie. Le Luxembourg envisage à cette fin un partenariat avec les îles du Cap-Vert²². Cet hydrogène vert ou les composés chimiques dans lesquels il est stocké seraient ensuite transportés par des pétroliers ou des pipelines là où il doit être utilisé. En raison des coûts de transport, on ignore toutefois s'il sera en fin de compte moins cher que l'hydrogène produit sur place^23,24.

À quelles fins pourrait être destiné l'hydrogène vert coûteux, mais respectueux du climat ?

Allons-nous tous adopter la voiture à hydrogène à l’avenir ?

Certains détracteurs de la vision d'une économie énergétique basée sur l'hydrogène comparent l'hydrogène produit à partir d'électricité renouvelable au champagne en raison de son prix élevé^25,26. Même si l’on ne souhaite pas aller aussi loin, les coûts de production imposent qu’on utilise l’hydrogène de manière ciblée. La question suivante se pose donc : est-il vraiment utile de consommer de l'hydrogène vert pour la circulation automobile ?

Il y a plus de 20 ans, quand la vision d'une économie de l'hydrogène respectueuse du climat a gagné du terrain, personne n’avait anticipé l’avènement de la technologie des batteries^27,28,29,30. Les batteries étaient coûteuses et moins performantes qu'aujourd'hui. Peu de gens pouvaient concevoir l'implantation à grande échelle des voitures électriques. Pour rendre la circulation automobile plus respectueuse du climat, la perspective de faire le plein d'hydrogène vert dans le futur semblait alors très prometteuse. On estimait qu’à ce jour,  des millions de voitures à hydrogène circuleraient sur les routes²⁸. Seules 14 voitures à hydrogène sont toutefois immatriculées au Luxembourg à l’heure actuelle, dont six voitures à hydrogène pur, les autres étant des hybrides essence ou diesel³¹.

Au cours des dix dernières années, les batteries sont devenues plus de cinq fois moins chères, en tenant compte de l’inflation et pour une capacité équivalente³². C’est pourquoi la plupart des études actuelles ne considèrent plus que les voitures particulières devraient fonctionner à l'hydrogène^33,34. En raison des pertes d'énergie dues à l’utilisation de l'hydrogène, une quantité trois fois plus élevée^35,36,37,38 d'électricité renouvelable est nécessaire que pour les voitures électriques²⁴. La voiture électrique est donc bien plus efficace.

Figure 2 : Dans le cas d’une voiture électrique (en haut), il faut 1,53 MJ (mégajoules) d'énergie pour fournir 1 MJ d'énergie aux pneus. Un tiers de l'énergie initiale est donc perdu. Dans le cas d’une voiture à hydrogène dotée d’une pile à combustible (en bas), il faut 4,5 MJ (mégajoules) d'énergie pour fournir 1 MJ aux pneus. Près de 80 % de l'énergie initialement utilisée sont donc perdus. (Illustration : SKIN/Headroom. Source scientifique : Wallington T.J. et al., Joule, 2024)   

Mais les batteries ont aussi leur lot d’inconvénients, notamment une faible densité énergétique. Pour les véhicules de grande taille ou les longues distances, il faut donc des batteries plus grandes et plus lourdes. L'hydrogène pourrait-il constituer une alternative dans ce contexte ?

Mais même pour les bus et les camions, les spécialistes envisagent la propulsion par hydrogène avec scepticisme³⁹  Les essais réalisés à ce jour ont donné des résultats mitigés et mis en évidence les coûts élevés liés aux bus fonctionnant à hydrogène^40,41. En Europe, une étude du Forum international des transports de l'OCDE ne voit pas d'avenir prometteur pour les bus et les poids lourds fonctionnant à hydrogène³³. L'autonomie restreinte des poids lourds électriques ne représenterait pas un frein pour la majorité des utilisations. Du moins en Europe, ils pourraient à l'avenir être rechargés pendant la pause de conduite imposée par la loi, si un réseau de bornes adapté est mis en place, comme cela est prévu en Allemagne par exemple^42,43,44.

Même si les véhicules à hydrogène dotés d'une pile à combustible sont nettement plus économes, quelques constructeurs de camions expérimentent avec les moteurs à combustion d’hydrogène pour les poids lourds⁴⁵. Les détracteurs leur reprochent de miser ainsi sur une technique sans avenir dans le but de continuer à exploiter leur savoir-faire en matière de moteurs à combustion⁴⁵.

Allons-nous à l’avenir voyager à bord d’avions à hydrogène ?

Tout le monde sait que le transport aérien doit devenir plus respectueux du climat. Pour ce faire, il faut notamment remplacer le kérosène, qui a des effets négatifs sur le climat. Dans un récent rapport, l'Agence internationale de l'énergie a toutefois reproché à l'aviation civile de ne pas être « sur la bonne voie »⁴⁶, ce qui signifie qu'elle ne fait pas assez d'efforts pour réduire ses émissions de CO₂, contrairement à d'autres secteurs du transport, comme celui des voitures particulières.

Fait surprenant, le développement rapide de la technologie des batteries laisse présager que de nombreux vols pourraient être effectués avec des avions alimentés par des batteries^47,48,49. Mais un tel scénario ne sera pas possible dans un avenir proche pour les avions long-courriers transportant plusieurs centaines de passagers⁴⁹, alors qu’ils sont à l’origine de la plus grande partie des émissions de CO₂⁴⁸. 

C'est pourquoi l'hydrogène vert est proposé pour le transport aérien. Il est censé remplacer le kérosène à l'avenir pour assurer un mode de propulsion respectueux du climat. Le problème est que l'hydrogène nécessaire ne pourrait être transporté à bord que dans de grands réservoirs cylindriques ou sphériques sous pression, contrairement au kérosène, qui est stocké dans des réservoirs intégrés aux ailes. De nouveaux avions devront donc être conçus, dans lesquels les réservoirs d'hydrogène prendront de la place au détriment des passagers et du fret^50,51.  Et, en raison du risque d'explosion, le ravitaillement et le décollage nécessiteraient des mesures de sécurité proches de celles des lancements de fusées comme à Cap Canaveral^{52,53,54,55,56}. Malgré ces difficultés, Airbus travaille actuellement sur des concepts d'avions alimentés à l’hydrogène. Dans ce contexte, des tests seront effectués au cours des prochaines années pour déterminer quelle technique de propulsion est la meilleure : convertir l'hydrogène en électricité à bord de l’avion en utilisant une pile à combustible pour ensuite alimenter les moteurs des hélices ou le brûler directement dans les turbines^57,58,59.

Il serait plus simple de produire un carburant adapté aux avions de façon respectueuse du climat, car cela éviterait de devoir modifier les avions et les installations de ravitaillement dans les aéroports. Ici aussi, l'hydrogène vert pourrait être envisagé. Avec de l'électricité renouvelable comme source d'énergie, l’hydrogène peut être combiné chimiquement avec le CO₂ provenant de l'air ou des processus industriels pour produire des e-carburants (aussi appelés carburants de synthèse). Le « e » d’« e-carburants » signifie « électrique », car ces carburants ne sont pas fabriqués à partir de pétrole, mais d'électricité. La difficulté tient aux importantes pertes d'énergie lors de la production des e-carburants : leur bilan énergétique est encore pire que celui de l'hydrogène vert : plus de quatre cinquièmes de l'électricité utilisée sont perdus pendant la fabrication^60_,61 ! Et nous aurions besoin de beaucoup plus d'électricité : pour faire fonctionner la flotte d'avions actuelle en Europe de façon respectueuse du climat de 2050 à 2100, il nous faudrait 1,3 fois la production annuelle d’électricité actuelle de l’UE. Mais malgré les pertes d'énergie considérables associées à la production des carburants de synthèse, ils constituent une option pour une aviation plus respectueuse du climat. L'hydrogène peut être remplacé par des e-carburants produits à partir de biomasse⁶².  Mais dans les deux cas, les prix des billets d'avion augmenteront nettement à l'avenir^62,63.

Les navires fonctionneront-ils aussi à l'hydrogène à l’avenir  ?

Comme pour l’aviation, la question se pose de savoir quel mode de propulsion respectueux du climat sera utilisé pour naviguer à l’avenir. Et comme toujours, le même constat s’impose quand on compare la propulsion par batterie à celle par hydrogène. L’électricité combinée à une batterie est de loin l’option la plus économe en énergie. Les calculs des chercheurs montrent que pour des trajets maritimes allant jusqu'à 1 500 km, il s’agit déjà aujourd'hui d’une option rentable⁶⁴,⁶⁵. C'est pourquoi, à l'échelle mondiale, un nombre croissant de ferries alimentés par batterie prennent le large⁶⁶. Avec la baisse des prix des batteries, l'autonomie des navires à batteries augmentera. Ici aussi, les trajets longue distance posent problème. C’est pourquoi, outre l'hydrogène vert, on envisage principalement d’utiliser des e-carburants comme l'e-méthanol ou l'e-ammoniac, produits à l'aide d'électricité à partir de CO₂ et d'hydrogène, comme carburants respectueux du climat⁶⁷ pour le secteur maritime. Ils rivalisent avec les carburants respectueux du climat produits à partir de biomasse.

L’e-méthanol a pour avantage que des moteurs de navires adaptés existent déjà, qui peuvent aussi brûler du carburant classique⁶⁸. Son utilisation exige toutefois des mesures de sécurité un peu plus strictes⁶⁷,⁶⁹. À plus long terme, l'e-ammoniac est aussi considéré comme un important carburant marin climatiquement neutre⁶⁷, notamment parce qu'il pourrait, dans l’ensemble, constituer la solution la plus rentable⁷⁰. D’un point de vue chimique, ce n'est rien d'autre que de l'ammoniac produit de manière conventionnelle. Ce gaz, qui se caractérise par une forte odeur et sa toxicité, est couramment obtenu dans l'industrie chimique à partir d'hydrogène gris, c'est-à-dire d'hydrogène produit à partir de gaz naturel fossile. L'ammoniac est avant tout important pour la production d'engrais. Mais il peut aussi être utilisé dans des moteurs de navires ou produire de l'électricité dans des piles à combustible qui alimentent le moteur électrique d’un navire. Une des questions non encore élucidées est celle des émissions de polluants, car l'ammoniac n'émet pas de CO₂, mais libère des oxydes d'azote nuisibles pour le climat⁷¹.
Dans le transport maritime, on ignore donc encore la place qu’occuperont à l'avenir l'hydrogène vert, l'e-éthanol ou l'e-ammoniac par rapport aux batteries.

Stocker l'électricité avec de l'hydrogène vert pour les périodes de sécheresse énergique ?

Une autre application importante mise en avant dans le domaine de l'hydrogène vert est la stabilisation du réseau électrique⁷². La question est de savoir comment assurer la continuité de l'approvisionnement électrique dans un avenir centré sur la protection du climat, même en période de « sécheresse énergétique », ces moments sans vent ni soleil. Actuellement, on utilise des centrales à gaz qui peuvent être rapidement mises en service ou arrêtées ou à des centrales de pompage-turbinage comme celle de Vianden, où l’on pompe de l’eau dans des réservoirs en altitude quand il y a un surplus d’électricité sur le réseau. À l’inverse, en cas de pénurie d'électricité, l'eau est relâchée en direction de la vallée pour entraîner des turbines qui génèrent de l'électricité.

Mais l’hydrogène vert pourrait aussi jouer un rôle dans le stockage de l’électricité : en période de surproduction d'électricité, il est produit par électrolyse et stocké sous haute pression. Ce stockage peut avoir lieu dans des réservoirs situés en surface ou sous terre et sous pression, comme dans les cavités d’anciennes mines de sel ou dans des gisements de gaz naturel ou de pétrole épuisés^21,73,74. Quand la demande d'électricité augmente, l'hydrogène peut être retransformé en électricité dans des centrales à gaz. C'est ce que l’Allemagne prévoit de mettre en place⁷⁵, même si la technologie des centrales à hydrogène n'a pas encore été éprouvée. Une autre solution consisterait à transformer l’hydrogène en électricité à l’aide de piles à combustible avant de l’injecter dans le réseau.

Principal avantage de l'hydrogène pour le stockage de l'électricité : à l’inverse des batteries modernes, il permet un stockage de longue durée, sur plusieurs mois, pour gérer les variations saisonnières de la demande. Pour le stockage d'électricité à court terme, il présente un inconvénient majeur : il entraîne des pertes énergétiques pouvant être quatre fois supérieures⁷⁶ à celles des batteries de stockage.

Dans le secteur énergétique, on s’attend à ce que l'hydrogène contribue en partie à équilibrer la demande d'électricité, mais que le stockage de l'électricité continuera aussi à se faire avec des batteries et, comme c'était le cas jusqu'à présent, avec l'énergie hydraulique⁷⁷,⁷⁸.

Le chauffage à l'hydrogène est-il une option intéressante ?

L'hydrogène est un gaz qui libère de la chaleur lors de sa combustion, à l’instar du gaz naturel utilisé jusqu'à présent dans les chaudières à gaz. L'idée de remplacer le gaz naturel polluant par de l'hydrogène vert pour le chauffage semble donc logique. Il faudrait toutefois adapter ou remplacer les infrastructures d’approvisionnement telles que les pipelines, les compresseurs et les stations de distribution, car l’hydrogène présente des exigences différentes de celles du gaz naturel. Pour améliorer au moins en partie le bilan climatique, on pourrait ajouter jusqu’à 20 % d'hydrogène vert au gaz naturel fossile. Cela aurait l'avantage qu'on pourrait probablement continuer à utiliser les gazoducs existants sans modifications majeures^79,80.

Pour chauffer, il est bien plus efficace d’utiliser directement l'électricité provenant de sources renouvelables avec des pompes à chaleur, plutôt que de passer par la production et la combustion d'hydrogène. En effet, près de 80 % de l'électricité employée est gaspillée dans le processus^24,81. C'est pourquoi les projets de chauffage à l'hydrogène ont été en grande partie abandonnés²¹.

De l’hydrogène vert destiné à l’industrie ?

L'industrie consomme beaucoup d'hydrogène gris, dont la production à partir de gaz naturel a un impact négatif sur le climat. Une des principales applications est la production de chaleur par la combustion de l'hydrogène. Ici encore, la question qui se pose est de savoir si la combustion de l’hydrogène vert, si précieux, est vraiment l'option la plus judicieuse. Les pompes à chaleur sont de plus en plus performantes, si bien qu'elles peuvent être utilisées pour des applications nécessitant des températures élevées, par exemple dans l'industrie alimentaire, papetière ou chimique. Leur utilisation constituerait une solution bien plus économe en énergie que de brûler de l’hydrogène vert.

Il reste des domaines où l’hydrogène est brûlé directement pour atteindre des températures extrêmement élevées, par exemple dans les secteurs du verre, de la céramique et du ciment. D'après une récente étude, dans la majorité de ces cas, la chaleur pourrait aussi être produite directement à partir d’électricité⁸². Il est possible d'obtenir des températures élevées de manière économe en énergie en utilisant des résistances électriques, comme celles qu’on trouve dans les grille-pain, mais beaucoup plus grandes. Des fours à induction, des arcs électriques ou des plasmas à haute température générés par courant électrique peuvent aussi être envisagés pour atteindre des températures élevées⁸².

Dans le secteur industriel, l’hydrogène sert non seulement à générer de la chaleur, mais il est aussi utilisé comme matière première pour des processus chimiques. Il est utilisé pour le craquage du pétrole brut dans les raffineries ou dans des procédés chimiques dans lesquels des atomes d'hydrogène doivent être incorporés dans d'autres molécules, par exemple pour la production d'engrais. Pour ces applications, il n'y a pas d'alternative au passage à l'hydrogène vert.

Il est possible que l'industrie sidérurgique ait besoin de grandes quantités d’hydrogène vert à l’avenir. À l'heure actuelle, l'acier est produit – pour simplifier – à partir de minerai de fer et de coke. Le coke est, à son tour, fabriqué à partir de charbon. Lors de la production d'acier, le carbone du coke réagit avec le minerai de fer, un procédé qui produit de l'acier et libère d’importantes quantités de CO₂. Pour éviter ces émissions de CO₂, il est possible d'utiliser de l'hydrogène qui réagit avec le minerai de fer à la place du carbone. Ce procédé libère uniquement de la vapeur d'eau au lieu de CO₂ La production d'acier peut aussi se faire par une réaction chimique qui utilise de l’électricité à la place de l’hydrogène. ArcelorMittal examine actuellement cette méthode dans des projets pilotes, mais pas encore à l'échelle industrielle^83_.

Dans quels domaines l'hydrogène vert est-il incontournable ?

Alors, quel bilan intermédiaire peut-on tirer pour l’avenir de l’hydrogène vert ? Pour la plupart des applications mentionnées dans cet article, il existe des alternatives qui, en fonction des technologies disponibles et des coûts, peuvent s’avérer plus ou moins intéressantes que l’hydrogène vert. C’est pourquoi les prévisions concernant la quantité d’hydrogène vert nécessaire à l’avenir divergent considérablement⁸⁴. Ce n’est pas la première fois que l’hydrogène traverse ce qu’on appelle un « cycle du hype », où l’enthousiasme initial peut laisser place à la désillusion^28,30. Il existe toutefois des secteurs qui, même à l’avenir, n’auront pas d'alternatives à l'hydrogène vert. Il s’agit des secteurs industriels qui utilisent déjà de grandes quantités d'hydrogène gris, qui ne peut pas être remplacé par de l'électricité, par exemple dans l'industrie chimique. Dans le monde entier, cela représente actuellement quelque 100 millions de tonnes d’hydrogène gris par an⁸⁵. Rien qu’en Europe, l'hydrogène gris utilisé dans l'industrie est responsable de 70 à 100 millions de tonnes de CO₂ par an. Au Luxembourg il génère plus de 5 000 tonnes de CO₂ par an²². Dans ces secteurs, il n'y a pas d'alternative au passage à l'hydrogène vert. C'est aussi la raison pour laquelle l'UE s'est fixée pour objectif de remplacer cet hydrogène gris par de l'hydrogène vert d'ici 2030.  Au vu de l'avancement des projets de déploiement de l'hydrogène vert, cet objectif semble malheureusement irréaliste^86,87.

À l’échelle mondiale, les plans de la COP-28 concernant la production d’hydrogène vert à l’horizon 2030 semblent peu réalistes.

Figure 3 : Barres bleues : production d’hydrogène à faibles émissions dans le monde au cours des neuf dernières années, en millions de tonnes. (Les valeurs pour 2023 sont estimées sur la base des données de mars 2024.) Barre violette : La cible pour 2030 prévue dans la feuille de route de la COP28. Source : IEA (2024), CC-BY 4.0⁹⁰_.

Substituer aussi rapidement que possible l'hydrogène « gris » par de l'hydrogène « vert » dans l'industrie est aussi la priorité de la stratégie hydrogène du Luxembourg²². Le projet « LuxHyval » lancé récemment a pour principal objectif de produire cet hydrogène « vert » de manière aussi locale que possible.

Retour au présent

Obstacles techniques : pourquoi l'hydrogène est-il si difficile à manipuler ?

Avec tous ces plans pour utiliser de l'hydrogène vert, on peut se demander pourquoi les visions pour l’hydrogène ne se sont pas encore concrétisées.

D'un côté, la faible efficacité énergétique de l'hydrogène vert par rapport à l'utilisation directe de l'électricité constitue un frein. La mauvaise efficacité énergétique est la raison pour laquelle il existe, dans bien des cas, des solutions plus efficaces et moins onéreuses qui consomment moins d’électricité renouvelable. D’autre part, l’un des freins au développement de l’économie de l’hydrogène est que cette substance possède des propriétés chimiques et physiques singulières.

L'hydrogène est l'élément chimique le plus répandu dans l'univers, plus de 90 % de la matière connue en est constituée⁹¹. Sur Terre, il est plus rare, mais il se retrouve dans de nombreuses substances chimiques, l’eau étant la plus courante. L'hydrogène pur, composé de deux atomes d'hydrogène liés entre eux, est la plus petite molécule existante⁹². C'est pourquoi il s'échappe facilement par petits interstices. Assurer l’étanchéité des installations contenant de l’hydrogène requiert donc des efforts importants. Il réagit par ailleurs avec diverses sortes d'acier et de matériaux d'étanchéité, les rendant fragiles et cassants. De plus, il est très explosif quand il est mélangé à l'air. Ces défis techniques n'ont toutefois pas empêché l'industrie de faire un usage régulier de l’hydrogène depuis de nombreuses années. Ils rendent cependant l’utilisation de l’hydrogène bien plus complexe que celle d’autres gaz, tels que le gaz naturel. Sur le plan technique, ce dernier est banal comparé à l'hydrogène. Il n'est donc guère étonnant que les stations à hydrogène soient souvent hors service en raison de problèmes techniques⁹³. La première station à hydrogène au Luxembourg, inaugurée en septembre 2023 à Bettembourg, n’y fait pas exception : Elle n'a toujours pas pu commencer son activité normalement (situation au 1er octobre 2024).

Il y a une autre particularité physique avec laquelle l’économie énergétique basée sur l'hydrogène doit composer : il s’agit d’un gaz très léger. Autrement dit, sous pression atmosphérique normale, il faut un volume bien plus important pour obtenir la même quantité d'énergie que celle fournie par le gaz naturel ou des combustibles liquides. C'est pourquoi les réservoirs d'hydrogène ne peuvent être efficaces que s'ils stockent l'hydrogène à des pressions élevées pouvant aller jusqu'à 1 000 bars. C'est équivalent à mille fois la pression atmosphérique, soit environ 400 fois la pression d’un pneu de voiture ! Le stockage de l’hydrogène sous la forme de gaz liquéfié est un peu moins encombrant. Il doit toutefois être refroidi à -253 °C⁹⁴, soit à seulement 20 degrés du zéro absolu⁹⁵ ! Tous ces facteurs rendent la gestion de l’hydrogène extrêmement complexe, ce qui se traduit par des coûts plus élevés.

Conclusion

Si nous souhaitons renoncer au pétrole, au gaz et au charbon, nous avons besoin non seulement de grands volumes d'électricité provenant d'énergies renouvelables, mais aussi d'hydrogène vert. Nous n’avons toutefois pas encore fait beaucoup de progrès dans la mise en œuvre, car de nombreux défis restent à surmonter.

Une étude menée par un grand cabinet de conseil début 2024 a dressé le bilan⁹⁶ des grandes promesses concernant le déploiement de projets d’hydrogène à grande échelle. Le résultat est malheureusement très décevant : à l’échelle mondiale, à peine 2 % des projets d’hydrogène annoncés sont entièrement financés ou en cours de réalisation ! Et environ la moitié de ces projets sont implantés en Chine^96,21. Il existe un écart considérable entre les annonces et leur mise en œuvre.

Ce constat montre que d’importants efforts doivent être déployés pour remplacer l'hydrogène gris utilisé aujourd'hui par de l’hydrogène vert plus respectueux du climat.

Une chose est sûre : avant de pouvoir utiliser l’hydrogène vert en grandes quantités, il faut créer une infrastructure dédiée et augmenter considérablement la production d’électricité renouvelable. Des investissements substantiels, ainsi que du temps, sont nécessaires pour atteindre cet objectif.

En attendant, nous devons fixer des priorités. Dans de nombreux domaines d'application, l'hydrogène est une solution réalisable sur le plan technique, mais c’est également la plus énergivore et la plus complexe à mettre en œuvre. Dans la majorité des cas, il est plus simple et plus efficace sur le plan énergétique d'utiliser directement l'électricité renouvelable sans passer par la production d'hydrogène.

Une des priorités consiste à substituer le plus rapidement possible l'hydrogène « gris » aux effets néfastes pour le climat, par de l'hydrogène « vert » respectueux du climat dans les applications industrielles actuelles.

C'est pourquoi les projets d'hydrogène comme la « Hydrogen Valley » LuxHyVal à Bascharage ici au Luxembourg sont si importants pour faire avancer les choses. Et une bonne nouvelle se profile pour les projets visant à produire de l'hydrogène sur site pour une consommation locale. Une récente étude²⁴ a évalué la compétitivité, en termes de coûts, de l’hydrogène produit en Europe centrale par rapport à l’hydrogène vert importé de pays ensoleillés. Et malgré les incertitudes liées aux estimations de coûts, le résultat est encourageant pour l’hydrogène vert produit en Europe. Il n'y a donc aucune raison de retarder davantage la mise en place d'une économie verte de l'hydrogène réfléchie !

Auteur : Ingo Knopf
Éditeurs : Michèle Weber, Jean-Paul Bertemes, Joseph Rodesch (FNR)
Conseils : Thomas Gibon et Nicolas Boscher (LIST)
Illustration sur l'électroyse: George dos Santos R., Noémie Brück, Anton Stepine (SKIN)
Traduction : Nadia Taouil (t9n.lu)