Décoder l'arc-en-ciel de l'hydrogène

Série Hydrogène

L'année dernière, notre fondateur Bertrand Piccard a annoncé le lancement de sa prochaine mission révolutionnaire : Climate Impulse. Après avoir fait le tour de la Terre avec l'avion Solar Impulse entre 2015 et 2016, Bertrand Piccard veut repousser encore plus loin les limites des technologies propres. En 2028, il tentera un nouveau tour du monde, cette fois-ci sans escale et sans émissions, à bord d'un avion propulsé à l'hydrogène vert.

L'hydrogène vert est un terme émergent dans le domaine de la durabilité environnementale, et se trouve même au centre du débat actuel sur la durabilité : salué comme un héros de l'énergie propre par certains, critiqué comme une distraction coûteuse par d'autres. Ses méthodes de production varient considérablement en termes d'impact carbone - de l'hydrogène "gris" d'origine fossile à l'hydrogène véritablement vert fabriqué à partir d'électricité renouvelable. Ses détracteurs mettent en doute son inefficacité et son évolutivité, en particulier pour les transports terrestres et le chauffage. Pourtant, dans les secteurs difficiles à décarboniser comme l'aviation, où la densité énergétique est importante et où les solutions basées sur les batteries sont insuffisantes, l'hydrogène reste l'une des rares voies viables vers un véritable vol sans émissions.

Cet article est le premier d'une série destinée à vous aider à mieux comprendre les bases de l'hydrogène et son impact sur le climat.

L'hydrogène sur Terre

Pour comprendre pourquoi l'hydrogène est au cœur de notre société et de plus en plus populaire en tant qu'acteur clé potentiel d'un avenir durable, nous devons explorer son rôle fondamental :

• L'hydrogène représente 0,00005 % du volume de l'atmosphère sous forme de gaz (_H2)^.1

• Les atomes d'hydrogène constituent environ 11 % de la masse totale de l'eau^.2

• 10 % de la masse de notre corps^.3

L'hydrogène a également un impact considérable sur notre vie quotidienne : selon un rapport de l'AIE, 90 millions de tonnes d'hydrogène sont produites chaque année dans le monde uniquement à des fins industrielles (production d'ammoniac, raffinage du pétrole). En outre, l'hydrogène est utilisé dans les secteurs de l'énergie (piles à combustible, stockage de l'énergie), de l'aérospatiale et des vols spatiaux (propulsion des fusées) ou des transports propres (transports publics, fret maritime). Cependant, tous les types d'hydrogène ne peuvent pas être utilisés comme source durable d'énergie ou de carburant. Il convient d'établir une distinction claire entre les différents types et couleurs d'hydrogène en fonction de leur méthode de production.

Un aperçu de la demande mondiale d'hydrogène en 2023 par l'université de Stanford

Couleurs de l'hydrogène émettant du carbone

L'hydrogène noir ou brun est produit par gazéification du charbon, un processus qui génère d'importantes émissions de_CO2 (19 _tCO2/tH2⁾⁴. Il est utilisé pour synthétiser l'ammoniac, notamment en Chine et en Inde, des pays riches en charbon qui utilisent l'ammoniac comme source d'engrais, ou en Afrique du Sud pour convertir le charbon en combustibles ^liquides5.

L'hydrogène gris est un produit des combustibles fossiles issu du reformage du gaz à la vapeur ou de la gazéification du charbon. L'hydrogène gris est aujourd'hui la principale solution en matière d'hydrogène dans le monde ; il représente 95 ^%6 de la consommation d'hydrogène de notre société et est utilisé pour les processus d'hydrogénation dans l'alimentation ou l'électronique, ou pour produire du méthanol à l'échelle mondiale. Actuellement, il s'agit de l'option hydrogène la plus intéressante sur le plan financier, puisqu'elle coûte environ 1 à 2 dollars par kilogramme de ^H27. Toutefois, il ne s'agit pas d'une option viable, car elle rejette dans l'^atmosphère de 10 à 19 tonnes de_CO2 par tonne de_H28.

Obtenu à partir du gaz naturel par reformage du gaz à la vapeur associé au piégeage et à la séquestration du carbone (CSC), l'hydrogène bleu est considéré comme une "technologie de transition" sur la voie de la décarbonisation complète. Il réduit considérablement les émissions de_CO2 (1-4 tCO2/tH2⁾⁹ par rapport à l'hydrogène gris et reste relativement bon marché (1,5-3 $ par kilogramme d'H2⁾¹⁰. L'hydrogène bleu est de plus en plus utilisé dans le secteur des transports comme source d'énergie pour les poids lourds, les bus, les trains et les navires.

La roue des couleurs de l'hydrogène

Couleurs d'hydrogène prometteuses et techniquement accessibles

L'hydrogène vert provient de sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie éolienne, solaire ou hydraulique, par le biais d'un processus connu sous le nom d'électrolyse de l'eau, dans lequel un électrolyseur sépare les molécules d'eau (_H2O) en oxygène gazeux (_O2) et en hydrogène gazeux (_H2). Ce processus génère entre 0 et 2,5 kg de_CO2 par kg de ^H211, en fonction de la source d'électricité et de l'efficacité du processus d'électrolyse, ce qui en fait la forme d'hydrogène la plus propre dont nous disposons aujourd'hui. Actuellement, les coûts de l'hydrogène vert sont élevés (3 à 8 dollars par kilogramme de_H2⁾¹², ce qui peut expliquer pourquoi il représente moins de 0,1 % de la production mondiale d'^hydrogène13. Pour changer cela, il faut développer des installations de production d'hydrogène vert. En Arabie saoudite, le projet NEOM vise à construire la plus grande usine d'hydrogène vert au monde. Ce n'est qu'en développant ces structures que la production d'hydrogène vert deviendra accessible à l'échelle mondiale.

L'hydrogène jaune est également produit par électrolyse de l'eau et utilise l'électricité du réseau électrique général, qui est généralement un mélange de combustibles fossiles, d'énergies renouvelables et de nucléaire. Avec la modernisation des réseaux électriques, l'hydrogène jaune pourrait devenir la forme la moins chère d'hydrogène renouvelable à moyen terme. La Suède est un excellent exemple à suivre : environ 99 % de son bouquet énergétique sera basé sur des sources propres d'ici à 2024.

L'hydrogène violet, rose et rouge peut également être considéré comme une source d'énergie propre, car il n'émet pas de_CO2 lors de sa production. Comme l'hydrogène vert, ils sont issus de l'électrolyse de l'eau mais sont alimentés par l'énergie nucléaire et la chaleur au lieu de sources d'énergie renouvelables. Cela signifie qu'ils n'émettent pas de carbone si la source nucléaire n'émet pas de gaz à effet de serre. Ces couleurs d'hydrogène sont actuellement plus faciles d'accès que l'hydrogène vert, car les installations de production (centrales nucléaires) sont plus fréquentes. Toutefois, le prix de production peut varier considérablement d'une région à l'autre en fonction de l'acceptation politique et publique des centrales nucléaires.

La production d'hydrogène vert de NEOM expliquée

Couleurs d'hydrogène potentiellement propres aux premiers stades de développement

Orange Hydrogen vise à produire de l'hydrogène à partir de déchets plastiques par pyrolyse, catalyse par micro-ondes et photo-reformage. Ces procédés techniques et chimiques décomposent les déchets plastiques en l'absence d'oxygène grâce à l'énergie des micro-ondes et à des catalyseurs activés par la lumière. L'objectif est d'extraire l'hydrogène des matières plastiques pour transformer les déchets en une source d'énergie précieuse. Cette technologie complexe nécessite encore des ajustements et n'est pas encore arrivée à maturité à l'échelle industrielle. La composition du plastique varie beaucoup (polyéthylène ou PVC), ce qui rend difficile l'extraction d'une quantité suffisante d'hydrogène. Les catalyseurs sont un élément essentiel du processus de production, mais ils sont actuellement très coûteux, sujets aux erreurs et non optimisés pour une production à grande échelle.

Turquoise Hydrogen est de l'hydrogène produit à partir de gaz naturel à la suite d'une pyrolyse du méthane. Le gaz naturel est décomposé en hydrogène et en carbone solide à des températures élevées. Le carbone étant solide, il n'est pas libéré dans l'atmosphère mais doit être stocké, ce qui peut entraîner des contraintes logistiques supplémentaires. Le maintien des températures élevées nécessaires au processus de production est un défi et, à l'heure actuelle, il consomme beaucoup d'énergie et coûte cher. Comme cet hydrogène nécessite encore du méthane dans sa phase de production, les fuites dans la chaîne d'approvisionnement peuvent compromettre les bénéfices pour le climat. L'hydrogène turquoise aura peut-être besoin d'un peu de temps avant de s'imposer comme une solution propre, mais il pourrait bien devenir une alternative.

Un aperçu de la production d'hydrogène turquoise :

Ce qu'il faut retenir

Le potentiel durable d'une énergie dépend largement du processus de production qui conduit à son existence. Les véhicules électriques sont indéniablement un moyen de réduire nos émissions de gaz à effet de serre, car ils rejettent directement beaucoup moins de carbone que les voitures fonctionnant au gaz naturel. Cependant, pour avoir un impact définitif et positif sur l'environnement, les solutions visant à réduire notre empreinte carbone dans le processus de production doivent être développées davantage. Si la source d'énergie électrique ou les batteries restent à long terme des combustibles fossiles ou d'autres matériaux émettant du carbone, nous ne faisons que dissimuler et retarder nos problèmes, au lieu de trouver des solutions.

Ce même principe s'applique à la poursuite du développement des technologies de l'hydrogène. En 2023, l'Agence internationale de l'énergie (AIE) a estimé que seulement 1 % ( !) de la production mondiale d'hydrogène pouvait être considérée comme propre. D'ici 2030, les projections de McKinsey indiquent que ce chiffre pourrait atteindre 30 %. Une expansion importante des technologies de production d'hydrogène propre sera d'une importance vitale si l'on veut que l'hydrogène vert devienne une option abordable à l'échelle mondiale.

Les applications actuelles de l'hydrogène vert sont déjà prometteuses, ce qui pourrait motiver les parties prenantes potentielles à investir davantage dans ce domaine. Restez à l'écoute pour en savoir plus sur ces adoptions dans notre prochain article sur l'hydrogène !