Contexte énergétique

La transition écologique et énergétique apparaît nécessaire pour satisfaire les besoins énergétiques croissants tout en respectant les contraintes environnementales. Elle sera fondée sur un mix énergétique durable où l’utilisation des énergies renouvelables va s’intensifier. Or, la plupart de ces énergies alternatives (ex. solaire, éolien) ont une production irrégulière et intermittente imposant des solutions de stockage de l’énergie produite pour permettre un déploiement plus large. À cet égard, la technologie de l’hydrogène semble particulièrement intéressante pour surmonter les obstacles actuels du secteur de l’énergie.

Hydrogène : un levier pour un monde décarboné d’ici 2050

L’hydrogène a un rôle clé à jouer dans un monde qui vise à être entièrement décarboné d’ici 2050. Pour y parvenir, il est urgent d’intensifier les efforts et les investissements nécessaires à la création d’écosystèmes de l’hydrogène, ainsi qu’à la mise en œuvre des facteurs favorables nécessaires.

Le marché mondial de l’hydrogène représente une production annuelle de 70 millions de tonnes, dont 33% sont utilisés dans le raffinage, 31% pour la production d’ammoniac, 12% pour la production de méthanol principalement et 30% pour des applications de niche.
Cependant, cette production est responsable de 830 millions de tonnes d’émissions de CO2 chaque année.
La production d’hydrogène se décompose comme suit : 24% de cet hydrogène est produit à partir du charbon (H2 noir), 75% à partir du gaz naturel (H2 gris) et seulement 2% à partir de l’électrolyse de l’eau renouvelable (H2 vert).

Vers une décarbonation de l’hydrogène : des approches diverses

Dans ce contexte, différentes approches sont envisagées pour décarboner la production d’hydrogène :

• Convertir la production actuelle d’hydrogène noir et gris en hydrogène vert par électrolyse de l’eau, sans émission directe de gaz à effet de serre. Toutefois, cela nécessiterait une demande d’énergie renouvelable trop importante (2310 TWh).
• Convertir l’hydrogène noir et gris actuel en hydrogène bleu grâce au captage et au stockage ou à l’utilisation du CO2. Cependant, cela nécessiterait une infrastructure de transport et de stockage ainsi qu’une logistique pour gérer plus de 630 millions de tonnes de CO2 chaque année.
• Convertir l’hydrogène noir et gris actuel en hydrogène turquoise en décomposant le gaz naturel en dihydrogène et en carbone solide, sans émission directe de gaz à effet de serre, avec un potentiel de 210 millions de tonnes de carbone solide par an.

Aujourd’hui, l’intérêt croissant pour les technologies d’électrolyse de l’eau s’explique par leur potentiel. En effet, la production d’hydrogène vert est le vecteur d’énergie renouvelable le plus prometteur pour la décarbonation mondiale.

Production d’hydrogène vert

L’électrolyse de l’eau conduisant à la production d’hydrogène est une stratégie permettant d’atténuer la nature intermittente des sources d’énergie renouvelables les plus prometteuses.

Les technologies d’électrolyse existantes et leurs incertitudes

De nombreuses recherches sont effectuées dans le but de simplifier les technologies existantes. Ces technologies incluent la membrane échangeuse de protons (PEM ) ; l’électrolyse d’eau alcaline (AWE ) ; la membrane échangeuse d’anions (AEM ) et la cellule d’électrolyse à oxyde solide (SOEC ). Toutes présentent des avantages et des inconvénients résumés dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Avantages et inconvénients des technologies d’électrolyse de l’eau. 

Source : Hermesmann, Matthias, and Thomas E. Müller. “Green, turquoise, blue, or grey? Environmentally friendly hydrogen production in transforming energy systems.” 

Néanmoins, pour les technologies alcalines et PEM, les données réelles sur l’efficacité électrique manquent et doivent être évaluées.

D’autre part, la disponibilité de l’environnement et des ressources peut également être un obstacle à l’extensibilité des usines d’hydrogène vert :

• Les électrolyseurs utilisent des matériaux rares ou des matériaux qui pourraient être menacés par le passage à une économie fondée sur les énergies renouvelables et l’hydrogène. Par exemple, le cuivre est utilisé dans tous les rectificateurs, le nickel dans les électrolyses alcalines. Un exemple plus frappant est que les électrolyseurs PEM consomment, actuellement, beaucoup d’iridium : 1 GW d’électrolyseur PEM utiliserait 5 à 10 % de la production annuelle mondiale d’iridium.
• Au-delà de l’utilisation de matériaux rares, l’impact sur l’environnement et la fin de vie des électrolyseurs doivent être pris en compte. Toutes ces questions sont aujourd’hui étudiées afin de limiter l’impact des électrolyseurs sur l’environnement.

Focus sur la technologie PEM (Membrane Echangeuse de Protons)

La production d’hydrogène par électrolyse (par exemple par des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons) permet le stockage chimique de l’énergie électrique produite (Figure 1).

Figure 1 : Production d’hydrogène à partir d’électricité renouvelable et d’eau.

Au cours du processus d’électrolyse de l’eau, l’eau est divisée en hydrogène et en oxygène. Dans ce processus, la molécule d’eau est d’abord décomposée du côté de l’anode pour générer de l’oxygène (O2), des protons (H+) et des électrons (e-). L’oxygène généré est éliminé de la surface anodique. Les protons restants sont transportés à travers la membrane conductrice de protons jusqu’à la cathode. En parallèle, les électrons sont acheminés à travers le circuit externe jusqu’à la cathode. Du côté de la cathode, les protons et les électrons se recombinent pour produire du gaz H2. Le principe de base de l’électrolyse de l’eau PEM est illustré dans la Figure 2.

Figure 2 : Principe de fonctionnement de l’électrolyse de l’eau PEM

Défis liés à la technologie PEM

L’électrolyse de l’eau PEM est une technologie prometteuse. Toutefois la dégradation des membranes est le principal verrou technique qui empêche son application à grande échelle. La préoccupation majeure liée aux cellules PEM concerne l’électrolyte/membrane solide, composée de Nafion™, qui appartient aux polymères PFSA (perfluorosulfonic acid). Ces polymères ont été identifiés comme des dangers potentiels pour la santé humaine et l’environnement, car ils sont très stables. En outre, lors du recyclage, la combustion de ces molécules de fluor pourrait potentiellement libérer des gaz à effet de serre puissants. Les PFSA commencent à être interdits en Europe pour les produits de la vie courante.

Au-delà du problème de stabilité de la molécule d’hydrogène en présence d’oxygène, d’autres questions doivent être abordées et résolues au cours du processus d’électrolyse. En effet, les électrolyseurs sont des réacteurs chimiques qui utilisent plusieurs matériaux préoccupants pour la santé et l’environnement. Par exemple, les électrolyses alcalines utilisent un électrolyte très corrosif (KOH 30% en masse) à haute température (80°C). Toute exposition accidentelle des opérateurs à l’électrolyte (explosion, entretien, etc.) ou son rejet dans l’environnement pourrait avoir de graves conséquences.

L’hydrogène dans le transport

La production d’hydrogène par électrolyse (par exemple par des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons) permet de stocker chimiquement l’énergie électrique produite. Cette énergie stockée chimiquement peut ensuite être reconvertie en énergie électrique par des piles à combustible à membrane à électrolyte polymère (PEMFC). Le couple PEMWE/PEMFC apparaît alors comme une solution prometteuse pour le développement durable, Figure 3. Dans ce contexte, les PEMFC font l’objet d’une grande attention dans le but d’améliorer les propriétés de la membrane électrolyte polymère (PEM).

Figure 3 : PEMWE/PEMF Couple

Les PEMFC utilisant une membrane électrolytique polymère comme conducteur de protons et un catalyseur à base de platine pour les réactions électrochimiques à basse température ont suscité beaucoup d’intérêt en raison de leur rendement élevé et de leurs faibles émissions. Leurs principales applications concernent les transports, la production d’énergie stationnaire et portable. L’utilisation d’un polymère solide stationnaire comme électrolyte présente l’avantage d’une densité de puissance élevée, d’un démarrage rapide et de la simplicité du système. Néanmoins, la durabilité et le coût restent les principaux défis à relever pour que les PEMFC deviennent commercialement compétitives.

Innovations récentes à travers le monde

Japon

Le pays se rapproche d’une véritable « économie de l’hydrogène », au sein de laquelle la majorité des transports fonctionnent à l’hydrogène. La production d’hydrogène reste certes problématique, l’électrolyse consommant de l’eau, l’énergie solaire n’étant pas assez puissante et les autres méthodes causent généralement des rejets de gaz à effet de serre. L’équipe de chercheurs de l’Université de Sciences de Tokyo a fait grand bruit en annonçant avoir découvert une technique permettant de produire de l’hydrogène en grande quantité et de manière propre :

• L’équipe assure avoir découvert un catalyseur pouvant générer 25 fois plus d’hydrogène que le dioxyde de titane, très largement employé aujourd’hui.
• Le catalyseur est composé de rouille (oxyde), un matériau peu coûteux, combiné à la lumière provenant d’une lampe au mercure-xénon et une solution eau-méthanol pour produire de l’hydrogène à partir de déchets organiques. Cette rouille particulière, appelée α-FeOOH, évite qu’hydrogène et oxygène ne se combinent, facilitant ainsi l’extraction du premier tout en prévenant les risques d’explosion.
• Grâce à cette méthode, l’équipe de scientifiques est parvenue à produire de l’hydrogène pendant plus de 400 heures.

États-Unis

La Commission énergétique de Californie s’est fixé pour objectif d’atteindre 100% d’énergies renouvelables d’ici 2045 (année pour laquelle il est prévu que la valeur du marché mondial de stockage d’énergie issue de l’hydrogène atteigne la modeste somme de 18,2 milliards de dollars). La start-up H24US se propose de faciliter cette transition de grande ampleur, par le biais d’une nouvelle méthode de production d’hydrogène.

• H24US planche actuellement sur une technologie de membrane capable d’extraire l’hydrogène depuis des mélanges de gaz de diverses origines.
• Cette technologie ne nécessite pas de matériaux coûteux, permettant ainsi de démocratiser l’utilisation de l’hydrogène.
• La start-up est en pleine phase de recrutement et cherche aujourd’hui des investisseurs afin d’agrandir son infrastructure.

Corée du Sud

Au début de l’année, le gouvernement de Séoul a publié sa feuille de route pour l’économie de l’hydrogène : un plan visant à créer 6,2 millions de véhicules à hydrogène et piles à combustible d’ici 2040. Dans l’optique de faire progresser le marché de l’hydrogène, les secteurs public et privé se sont associés. Ils ont accueilli avec enthousiasme les dernières avancées du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), présentées comme capables de produire de l’hydrogène et réduire le réchauffement climatique.

• Les scientifiques du KAIST ont créé un catalyseur à même de convertir le dioxyde de carbone et le méthane en hydrogène gazeux.
• Le processus employé relève d’une technique appelée « reformage à sec », qui consiste à créer des produits chimiques utiles à partir de gaz à effet de serre.
• En général, le reformage à sec nécessite des métaux onéreux. Pourtant, ce catalyseur innovant ne requiert que l’emploi de nickel, de magnésium et de molybdène, qui sont tous des matériaux relativement peu coûteux.

Appels à projets en cours du domaine

La ministre de la Transition Energétique, Agnès Pannier-Runacher a annoncé la signature d’un décret pour le lancement d’un mécanisme de soutien à la production d’hydrogène décarboné. Le gouvernement va donc allouer 4 milliards d’euros pour les projets les plus vertueux, via des appels d’offres. Dans le détail, ils seront lancés d’ici la fin de l’année 2024,  en 2025 et 2026 pour attribuer des capacités de production, sous forme de tranches de respectivement 150, 250 puis 600 MW. Soit 1.000 MW au total. « Concrètement, les lauréats des appels à projets se verront attribuer une note, fondée à 70 % sur des critères de prix (sur la base d’un ratio euro par tonne de carbone évitée) et à 30 % sur des critères hors prix ». Un mécanisme qui a fait ses preuves pour développer l’électricité verte, à partir d’énergies renouvelables.

L’objectif est ainsi d’effacer les écarts de prix entre la production d’hydrogène carboné et celle d’hydrogène renouvelable. Les contrats seront signés pour une durée de quinze ans. « Nous avons tout d’abord soutenu la construction d’électrolyseurs ou de piles à combustible et maintenant nous sécurisons la production des opérateurs et nous la rendons compétitive », a ajouté par ailleurs Agnès Pannier-Runacher. ‎

Des projets lancés au cours de l’année 2024 dans la Région Rhône-Alpes sont listés ci-après.

IMAGHyNE

Le projet IMAGHyNE (Investment to Maximise the Ambition of Green Hydrogen iN Europe) lancé en février 2024 est coordonné par la Région Auvergne-Rhône-Alpes. Concrètement, ce sont près de 40 partenaires régionaux et européens qui vont travailler ensemble, pendant 6 ans, afin de permettre la production de plus de 8 000 tonnes d’hydrogène par an, soit l’évitement de consommation de 170 kilotonnes d’équivalent CO₂. L’investissement s’élève à 200 millions d’euros.

Alp’Hyne Mont Blanc

Création d’un consortium pour développer un réseau de stations de distribution d’Hydrogène renouvelable en Haute-Savoie et dans l’Ain. Le projet consiste en la conception, la construction, la maintenance et l’exploitation d’un écosystème local, à savoir : plusieurs centrales de production d’hydrogène renouvelable, des moyens d’acheminement vers des stations de distribution, une infrastructure de stations d’hydrogène et des moyens de stockage de cet hydrogène.