Le bon rôle pour l'hydrogène dans la transition énergétique

Hydrogène stratégique : L'efficacité avant l'idéologie

L'hydrogène n'est pas une solution miracle - et le traiter comme tel pourrait faire perdre un temps et des ressources précieux.

Si l'hydrogène a un rôle essentiel à jouer dans la décarbonisation de secteurs tels que l'acier, le transport maritime et l'aviation, il n'est ni efficace ni nécessaire pour toutes les applications. L'utilisation de l'hydrogène là où il existe de meilleures solutions, comme l'électrification directe des voitures ou des bâtiments, risque de ralentir la transition et de faire grimper les coûts. Comme tout outil, l'hydrogène fonctionne mieux lorsqu'il est utilisé avec précision. Le défi consiste maintenant à dépasser le battage médiatique et à déployer l'hydrogène là où il a le plus de sens - sur le plan technique, économique et environnemental.

Cet article vise à faire la lumière sur ces aspects, contribuant ainsi à démystifier un sujet qui suscite trop souvent des positions dogmatiques plutôt qu'un dialogue pragmatique.

Une demande croissante d'hydrogène

Alors que les objectifs de décarbonisation s'accélèrent, l'intérêt des investisseurs pour les applications de l'hydrogène augmente fortement - bien que de nombreux projets soient encore à un stade précoce et que le succès dépende de cas d'utilisation ciblés et évolutifs. En 2024, l'investissement mondial dans l'hydrogène vert était estimé à environ 8 milliards de dollars, et les analystes du marché prévoient une croissance substantielle jusqu'en 2030. Les principaux investisseurs engagent des capitaux à grande échelle, comme le fonds d'infrastructure Hy24, doté de 2 milliards de dollars, qui soutient des projets avancés de production d'hydrogène vert en Europe et en Asie.

Notre dernier article sur les couleurs de l'hydrogène a brièvement abordé les secteurs actuels de mise en œuvre de l'hydrogène, mais quelle est leur répartition et comment les chiffres correspondants évolueront-ils ?

Prévisions de la demande d'hydrogène tirées de l'étude Global Energy Perspective 2023 de McKinsey & Company

L'expansion et la diversification des activités liées à l'hydrogène

Aujourd'hui, environ 95 % de la demande d'hydrogène provient de secteurs industriels tels que la fabrication d'engrais, la désulfuration et l'hydrocraquage pour développer des carburants plus propres ou l'utilisation de l'hydrogène comme matière première pour les ^plastiques2. Les 5 % restants sont concentrés dans les domaines de la production d'énergie (piles à combustible à hydrogène, stockage de l'énergie⁾³, de l'aérospatiale et des vols spatiaux (propulsion de fusées⁾⁴ et des utilisations émergentes telles que les transports propres (camions, bus) ou le mélange d'hydrogène dans les ^réseaux de gaz5.

Le paysage du déploiement de l'hydrogène devrait se diversifier considérablement. Selon le rapport 2023 Global Energy Perspective de McKinsey&Company, la répartition future pourrait ressembler à ce qui suit :

• 50-60 % pour les applications industrielles : poursuite de la production d'ammoniac, de méthanol et d'acier, croissance des procédés à faible teneur en carbone.

• 15-20 % pour les transports : développement des véhicules à pile à combustible (en particulier pour le transport maritime et les poids lourds).

• 20-25 % pour la production et le stockage d'électricité : production d'électricité, équilibrage des réseaux, stockage d'énergie à long terme.

• 5-10 % pour le bâtiment et le chauffage : croissance des applications de chauffage résidentiel et commercial.

Ces chiffres illustrent l'attrait de l'hydrogène pour diverses industries. Toutefois, il est essentiel de déterminer où et pourquoi l'hydrogène offre le plus de valeur - et où il n'en offre pas.

L'hydrogène liquide a déjà alimenté le programme Apollo de la NASA, les missions qui ont envoyé des hommes sur la lune il y a plus d'un demi-siècle !

Secteurs prêts pour le déploiement de l'hydrogène

• Industrie lourde

La production d'acier, de fer, de produits chimiques ou de ciment est essentielle à notre mode de vie moderne. Cependant, l'industrie lourde est responsable de près de 40 % des émissions mondiales de ^CO26. Cela est principalement dû à la chaleur élevée (1 400 à 1 700 °C⁾⁷ nécessaire pour transformer les matériaux en acier ou en ciment - ou au charbon, au pétrole et aux gaz naturels utilisés comme matières premières pour la production de produits chimiques.

L'hydrogène produit à partir d'énergies renouvelables pourrait jouer un rôle clé dans la décarbonisation de l'industrie lourde en servant d'agent réducteur efficace et propre dans la production de fer. Le processus émettrait de la vapeur d'eau au lieu du_CO2. À titre d'exemple, l'initiative HYBRIT stocke ¹⁰⁰ m3 d'hydrogène vert pour produire du fer et de l'acier sans combustibles fossiles à l'échelle industrielle, dans le but de réduire les émissions de dioxyde de carbone de la Suède et de la Finlande de 10 % et 7 % respectivement. Les coûts d'exploitation de la production d'hydrogène pourraient ainsi être réduits de 40 % !

Au cours du processus Haber-Bosch, l'hydrogène réagit avec l'azote pour former de l'ammoniac (_NH3), un composant essentiel des engrais. Actuellement, l'hydrogène gris dérivé du gaz naturel ou du charbon est le principal type d'hydrogène utilisé dans ce processus. Le passage à une forme plus propre d'hydrogène dans le processus de production de l'ammoniac pourrait réduire considérablement ses émissions de_CO2. L'utilisation d'hydrogène bleu pourrait réduire ces émissions jusqu'à 80 %, et l'hydrogène vert jusqu'à 90 % !I

Le projet First Ammonia au Texas (États-Unis) met à l'échelle un électrolyseur de 100 MW pour stimuler la production d'hydrogène vert et fournir environ 300 tonnes d'ammoniac vert par jour.

Installation de stockage d'hydrogène Hybrit

• Transports lourds

En permettant un ravitaillement plus rapide, une optimisation de la charge utile et une plus grande autonomie, l'hydrogène pourrait contribuer à résoudre divers problèmes rencontrés par les transports longue distance. Les véhicules lourds évoluent progressivement vers des véhicules électriques à batterie (BEV).

Malgré cela, l'électrification seule ne permettra pas une décarbonisation complète des transports lourds. Par exemple, les camions long-courriers qui nécessitent des batteries de 1 à 2 MWh mettent souvent plusieurs heures à se recharger complètement, ce qui augmente la durée des trajets de 35 %. L'utilisation de piles à hydrogène ou de moteurs à combustion pourrait réduire le temps de charge à 10-15 minutes.

La Fondation Solar Impulse a labellisé la solution hydrogène de Ways2H, qui a été adoptée par le Royaume-Uni pour desservir jusqu'à 1 600 bus à pile à combustible en fournissant de 500 kg à 1 tonne d'hydrogène renouvelable par jour. Les poids lourds, les camions et autres véhicules lourds de transport de marchandises pourraient optimiser leur autonomie et parcourir jusqu'à 11 000 kilomètres par jour ! Si les sources de carburant des camions à long rayon d'action passaient des combustibles fossiles conventionnels à l'hydrogène vert renouvelable, les émissions de gaz à effet de serre pourraient être réduites d'environ 89 %.

Dans le monde du transport maritime, Maersk développe fortement la production de méthanol vert comme carburant pour ses navires. La société collabore avec Carbon Sink LLC pour produire 100 000 tonnes de méthanol vert, une combinaison d'hydrogène vert et de_CO2 biogénique, par an. Actuellement, 13 cargos Maersk à double carburant fonctionnant au méthanol vert sont en activité. D'ici la fin de l'année, 19 navires seront déployés et permettront de réduire les émissions de_CO2 d'environ 2,3 millions de tonnes par an. De plus, les modifications nécessaires pour intégrer cette technologie ont permis d'augmenter la capacité des navires de 15 000 à 15 690 TEU(Twenty-foot Equivalent Unit).

Le méthanol vert développé à partir de l'hydrogène vert pourrait être une source d'inspiration pour le développement du transport de marchandises.

• Stockage à long terme

L'hydrogène peut également être utilisé pour stocker l'énergie excédentaire provenant de l'énergie éolienne et solaire et la réutiliser en cas de besoin, au lieu de la gaspiller. La conversion de l'énergie en gaz (hydrogène) pourrait permettre un stockage de plusieurs semaines, voire de plusieurs mois, contrairement aux batteries, dont la durée est limitée à quelques heures ou quelques jours.

Dans l'Utah, aux États-Unis, le plus grand site de stockage d'hydrogène au monde est en cours de construction ; il s'agit du projet Advanced Clean Energy Storage (ACES) . Il fournira plus de 300 GWH de stockage d'énergie dans d'énormes grottes de sel, chacune assez spacieuse pour abriter l'Empire State Building. Lancée par Mitsubishi Power et Magnum Development, l'initiative utilisera ces cavernes de sel pour stocker l'énergie renouvelable. Mike Ducker, vice-président chargé des carburants renouvelables chez Mitsubishi Power, a déclaré :

"Il faudrait environ 40 GW de batteries lithium-ion pour avoir le même potentiel de stockage dans une seule de nos cavernes".

D'ici à 2026, quatre cavernes seront disponibles pour le stockage. Les cavernes sont créées en dissolvant du sel avec de l'eau (extraction par solution) et en produisant de la saumure. Ce produit restera confiné dans des bassins d'évaporation dotés de systèmes de surveillance des eaux souterraines et de détection des fuites, ce qui garantit un impact minimal sur l'environnement. En outre, les formations salines ont une faible porosité et la capacité de fermer naturellement les fractures, ce qui garantit le confinement du gaz à long terme.

Secteurs incompatibles avec le développement de l'hydrogène

Il existe plusieurs secteurs où l'hydrogène ne semble pas être la solution la plus prometteuse. Dans certaines situations, l'électrification, les batteries ou d'autres solutions à faible teneur en carbone ont un avantage concurrentiel sur l'hydrogène en termes d'efficacité, de coût et de plausibilité.

• Chauffage structurel

Les pompes à chaleur sont beaucoup plus efficaces que les sources de chauffage à l'hydrogène. Les chaudières à hydrogène fonctionnent généralement avec un rendement de 60 à 70 %, alors que les pompes à chaleur peuvent atteindre un rendement de 300 à 500 % en raison de leur capacité à transférer plutôt qu'à produire de la ^chaleur8. En outre, la reconversion des infrastructures de manière à ce que l'hydrogène puisse être incorporé dans les gazoducs est beaucoup trop coûteuse et complexe.

• Voitures particulières et véhicules utilitaires légers

Si nous avons vu les avantages de la technologie de l'hydrogène pour les transports lourds, ils ne s'appliquent pas aux voitures plus petites destinées aux transports courts ou même aux transports publics urbains. Les véhicules légers nécessitent des batteries beaucoup plus petites et plus légères que les véhicules lourds. Un camion électrique d'une autonomie de 1 000 km peut nécessiter 4 à 6 tonnes de ^batteries9, alors que la batterie d'une voiture particulière ne pèsera que 400 à 600 kg et aura une autonomie de 500 à 600 km^.10 Pour cette autonomie, l'efficacité énergétique (75 à 85 % pour les BEV, 30 à 40 % pour les véhicules à ^hydrogène11) sera un avantage par rapport aux caractéristiques de recharge rapide des véhicules à hydrogène.

En outre, les véhicules électriques à batterie (BEV) sont répandus dans le monde entier et bénéficient d'un large soutien. Il y a actuellement plus de 26 millions de BEV sur le ^marché12. En revanche, il n'y a que 70 000 piles à combustible à la même ^échelle13. Le développement d'infrastructures de ravitaillement en hydrogène pour concurrencer les BEV serait rare, coûteux et n'offrirait pas d'avantage significatif en termes d'empreinte environnementale.

Les mêmes arguments sont valables pour les transports publics urbains tels que les métros et les bus, qui sont des applications à courte distance et à faible consommation d'énergie qui favorisent également l'efficacité énergétique.

Graphique montrant l'expansion des BEV, par Statista Mobility Market Outlook

• Procédés industriels à basse température

Les procédés tels que la transformation des aliments, les textiles, le séchage du papier ou le lavage des bouteilles nécessitent une chaleur comprise entre 60 et 150 ^ºC14. Là encore, les chauffages électriques résistifs ou les pompes à chaleur convertissent l'énergie en chaleur avec une grande efficacité (100 % pour les chauffages ^résistifs15, jusqu'à 300-500 % pour les pompes à ^chaleur16), contrairement au chauffage à l'hydrogène (30-40 %⁾¹⁷. Les pompes à chaleur et les systèmes résistifs étant très efficaces, ils consomment beaucoup moins d'énergie et sont donc moins chers.

Alimenter l'avenir, stratégiquement !

Au Royaume-Uni, trois essais distincts de mise en œuvre de l'hydrogène pour le chauffage résidentiel ont été abandonnés à la mi-2024 en raison de preuves concrètes démontrant que les pompes à chaleur électriques étaient plus efficaces et plus rentables. L'un des projets, à lui seul, aurait coûté jusqu'à 200 millions de livres sterling s'il avait été mis en œuvre.

Ces essais soulignent la nécessité d'investir dans l'hydrogène là où il apporte une valeur réelle et une évolutivité. Des initiatives stratégiques, telles que la Banque européenne de l'hydrogène, qui alloue actuellement plus d'un milliard d'euros à des projets d'hydrogène vert, montrent comment un financement ciblé peut accélérer l'impact. En outre, la Commission européenne a adopté une nouvelle méthode de calcul des émissions pour l'hydrogène à faible teneur en carbone, complétant ainsi le cadre réglementaire de l'UE et apportant une clarté juridique aux investisseurs. Ensemble, ces efforts renforcent la confiance dans le secteur et contribuent à positionner l'hydrogène comme une solution crédible.

La Fondation Solar Impulse s'est engagée à contribuer, avec Climate Impulse, à démontrer la valeur stratégique de l'hydrogène, non pas de manière générale, mais là où cela fait sens, en fournissant un modèle inspirant pour l'innovation et le déploiement durables. Dans cet esprit, notre prochain article présentera les réflexions d'un expert chevronné de l'hydrogène, qui partagera son point de vue sur les perspectives d'avenir de l'industrie... Restez à l'écoute !