L’hydrogène, nouvelle énergie verte ???
C’est à travers un cahier réalisé en partenariat avec l’ADEME, GDF Suez, Air Liquide et AFHYPAC qu’une nouvelle étape vers la transition énergétique peut muter grâce au potentiel de l’Hydrogène-énergie.
Le cahier montre que l’hydrogène-énergie offre un immense potentiel. Il trouve dès aujourd’hui différentes finalités, que ce soit comme vecteur de stockage ou valorisation d’énergie renouvelable, comme complément au gaz naturel, comme combustible et pour une variété d’applications liées à la pile à combustible dans les domaines stationnaires ou mobiles.
Produit généralement à partir d’hydrocarbures, pour des usages industriels, l’hydrogène a commencé une nouvelle vie dans le domaine de l’énergie. Différents modes de production, comme l’électrolyse, permettent en effet d’obtenir de l’hydrogène à bas taux de carbone ou totalement exempt de carbone, en faisant appel à l’électricité produite soit par les centrales nucléaires, soit par les énergies renouvelables, telles que l’éolien, le photovoltaïque ou l’hydraulique.
Les usages de cet hydrogène « vert » se développent. Il trouve d’ores et déjà différentes finalités, que ce soit comme vecteur de stockage ou de valorisation d’énergie renouvelable, comme complément au gaz naturel, voire comme carburant, ainsi que pour une variété d’applications liées à la pile à combustible dans les domaines stationnaires ou mobiles. Le potentiel de l’hydrogène-énergie est immense. Pour l’exploiter pleinement, la recherche – académique et industrielle – s’attache à améliorer les performances et à abaisser le coût des technologies permettant de le produire, de le stocker et de le distribuer. C’est le cas notamment du vaste programme Horizon Hydrogène Énergie. Parallèlement, de grands sites pilotes sont en cours d’installation en France. En Corse, le programme MYRTE étudie le stockage d’hydrogène obtenu à partir d’électricité photovoltaïque. À Dunkerque, le projet GRHYD se développe autour de l’utilisation de l’hydrogène produit par les énergies renouvelables comme complément au gaz naturel.
Face aux idées reçues, c’est à dire produit exclusivement par l’homme, jusqu’à ce que, surprise, on en découvre récemment des sources... parfaitement naturelles. Des travaux récents ont confirmé que des émanations naturelles continues d’h2 se rencontrent fréquemment sur Terre. Elles ont été observées dans les grands massifs terrestres de péridotite ainsi que dans les zones intraplaques situées au cœur des continents. Comment est produit ce gaz ? L’Ifpen (Ifp Énergies nouvelles), spécialiste de ce sujet, privilégie deux pistes : l’oxydation par l’eau des roches riches en fer réduit ; ou un dégazage continu de la planète, ce qui bouleverserait la conception usuelle de la composition chimique de l’intérieur de la Terre. Si cet hydrogène naturel s’avérait exploitable, il pourrait constituer une nouvelle source d’énergie durable – la production observée étant un phénomène continu lié à la dynamique de la planète –, propre, respectueuse de l’environnement et bien répartie sur les différents continents. Mais le chemin est encore long avant d’envisager une production industrielle de grande ampleur. Des efforts de recherche importants seront nécessaires pour actionner les verrous existants. Deux usines pilotes sont en développement aux États-Unis et au mali. En france, l’Ifpen a lancé cette année un nouveau programme pour évaluer l’intérêt technico-économique d’une production industrielle d’H2 naturel.
Mais ce n’est pas tout. L’hydrogène ne figurait pas au rang des énergies vertes pour la bonne raison qu’il est aujourd’hui encore très largement obtenu à partir d’hydrocarbures (pétrole ou gaz naturel). Fabriqué en grandes quantités (Air Liquide en a produit et distribué en France 11,5 milliards de m3 en 2012), il sert principalement les besoins de l’industrie. Cela aussi doit être reconsidéré. Non seulement l’hydrogène acquiert ses galons d’énergie non carbonée, mais il apparaît désormais comme le meilleur allié des énergies renouvelables, que ce soit l’éolien ou le photovoltaïque. « il constitue un excellent complément à l’énergie électrique ; c’est un véritable “bonus” pour l’électricité car il prolonge ses usages au-delà du seul réseau électrique », affirme Marianne Julien, présidente de l’Association française pour l’hydrogène et les piles à combustible (AFHyPAC), l’association qui promeut la filière hydrogène en France. Enfin, l’hydrogène en tant que source d’énergie est le plus souvent identifié à la mobilité. L’idée la plus répandue est : hydrogène égale voiture électrique à pile à combustible. Exact. Mais en réalité les automobiles ne représentent qu’un des nombreux usages de l’hydrogène-énergie.
Bref, à l’heure de la réflexion sur la transition énergétique, ce gaz vient désormais s’ajouter à la panoplie des solutions alternatives aux énergies carbonées et participant à l’indépendance énergétique du pays. En France, la nouvelle prise de conscience de son formidable potentiel et le regain d’intérêt pour le sujet remontent à 2011, époque à laquelle, après avoir constaté les progrès de l’utilisation de l’hydrogène à l’étranger, l’ADEME a élaboré avec AFHyPAC sa feuille de route stratégique pour le développement de cette filière.
La bonne nouvelle en l’occurrence est que, même si la France accuse un certain retard, notamment du côté des constructeurs d’automobiles, elle possède en revanche une recherche d’un excellent niveau. De quoi, s’accordent à dire les spécialistes, rejoindre très rapidement le peloton de tête où figurent en bonne place la Scandinavie, l’Allemagne, le Japon, la Corée du Sud et la Californie. « À condition de montrer une grande constance dans l’effort, car c’est une affaire de long terme », souligne Marianne Julien.
De même, côté industriel, la situation est plutôt engageante. Outre les grands groupes très actifs sur ce thème (Air Liquide, GDF Suez, EDF, Areva...), la France dispose d’un tissu de PME (Atawey, McPhy Energy, CEtH2, Symbio FCell, PaxItech...) proposant des solutions innovantes dans tous les secteurs ; des entreprises en train de se structurer en filière, au sein d’AFHyPAC notamment. Certaines sont parfois de taille très modeste, comme Pragma Industries – 7 personnes seulement. Ce qui ne l’empêche pas de mettre actuellement en place une ligne de production automatisée de petites piles à combustible extrêmement originales. Une ligne d’une capacité de 50 000 unités par an (voir page 14).
Comment rendre l’hydrogène non carboné ? Soit en ayant recours à la biomasse. Les procédés thermochimiques de gazéification et de pyrolyse de biomasse solide produisent un mélange de gaz (monoxyde de carbone et hydrogène) dont on peut extraire l’hydrogène. Soit en utilisant du biométhane à la place du gaz naturel dans les unités de production d’hydrogène « par réformage » existantes ou dans des unités décentralisées de petites tailles au plus près de la source de biogaz. Ou alors en utilisant tout simplement la bonne vieille électrolyse de l’eau donc, l’électricité. L’hydrogène qui en est issu sera à faible taux de carbone si l’électricité est d’origine nucléaire et parfaitement « vert » si elle provient d’une source renouvelable (éolien, solaire ou hydraulique). L’électrolyse classique (dite basse température) dispose encore de marges de progression. Aujourd’hui, elle produit un hydrogène coûteux dont le prix varie entre 5 et 30€/kg alors que celui issu du vaporeformage du gaz naturel ne dépasse pas 1,50 €/kg dans les grosses unités. Elle offre en revanche l’avantage de pouvoir être effectuée sur site.
Néanmoins, et sans compter les progrès attendus en matière d’électrolyse (voir article page 7) et les baisses de prix liées à la production en plus grand volume des électrolyseurs, cette technologie se prête d’ores et déjà à un usage très prometteur. Produire de l’hydrogène à partir d’éolien ou de solaire résout en effet très élégamment le problème de ces énergies intermittentes : le stockage (ou l’adéquation entre moment de production et de consommation). Elles produisent parfois trop, et leur énergie est perdue – on parle d’énergie fatale. Utiliser leur électricité pour produire de l’hydrogène par électrolyse se justifie alors pleinement, même si son coût est élevé. rien n’est perdu. L’électricité est stockée sous forme de gaz pour un usage ultérieur ou utilisée sous forme gaz sur d’autres marchés que les marchés électriques.
Plusieurs actions pilotes sont menées en France dans ce domaine. Inaugurée en janvier 2012, la plate-forme MyrtE est installée à Ajaccio. Soutenu par l’Université de Corse Pas- quale-Paoli, Areva (sa filiale stockage d’énergie, ex Helion) et le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), ce site pilote met en œuvre une centrale photovoltaïque de 560 kWc pour la production et le stockage d’hydrogène. L’objectif est de développer un système et une stratégie de pilotage pour améliorer la gestion et la stabilisation du réseau électrique. La Corse est le lieu tout indiqué pour cette recherche, la configuration actuelle du réseau public d’électricité présentant en effet des limites à l’intégration de sources d’énergie renouvelables intermittentes.
L’autre grand projet pilote français impliquant l’hydrogène vert se déroule à Dunkerque sous l’égide de GDF Suez. Baptisé GrHyD, il a été annoncé cette année. Il vise non seulement à produire de l’hydrogène à partir d’électricité issue d’énergies renouvelables, mais également à valider la pertinence de la filière dite « Power to Gas », qui a pour objectif de transporter et valoriser cet hydrogène mélangé au gaz naturel dans les applications classiques du gaz (chauffage, eau chaude, carburant...). Ce vaste programme (cinq ans, 15 M€) ne réunit pas moins d’une douzaine de partenaires dont la Communauté urbaine de Dunkerque (où auront lieu les démonstrations) et son exploitant de bus (DK Bus Marine), GrDF, GNVErt, COFELy-INEO, Areva Stockage d’Énergie, le CEA, McPhy Energy, l’Ineris, le CEtIAt et CEtH2.
Deux usages différents du précieux gaz seront étudiés. Le premier s’intéresse à l’hydrogène en tant que carburant. Mélangé (entre 6 et 20 %) à du gaz naturel, ce carburant baptisé « Hythane® », sera utilisé à Dunkerque sur la flotte d’autobus fonctionnant actuellement au gaz naturel. L’autre application consiste également à mélanger méthane et hydrogène mais cette fois en injectant ce dernier (jusqu’à 20%) dans le réseau de gaz naturel de la ville. Objectif : alimenter 200 logements d’un nouveau quartier de Dunkerque (chauffage, cuisson, eau chaude). Dans les deux cas, l’apport d’hydrogène vert contribuera à diminuer les émissions de CO2 du gaz naturel jusque-là utilisé seul.
Outre cette adjonction au gaz naturel, l’hydrogène trouve un autre intéressant potentiel d’utilisation comme matière première pour la production de méthane. L’opération dite de méthanation combine en effet du dioxyde de carbone et de l’hydrogène pour générer du méthane, de l’eau... et de la chaleur. Ce méthane est susceptible de trouver divers emplois. Par exemple, comme vecteur de stockage ou de transport d’énergie d’origine renouvelable, le méthane étant beaucoup plus facile à transporter que l’hydrogène. Autre solution, la transformation du méthane en divers carburants comme le méthanol ou le kérosène. Un carburant qui, certes, émet du CO2 mais dont les émissions sont en partie compensées par l’utilisation et le recyclage du CO2 qui permet de le produire ! GDF Suez s’intéresse de près à cette technologie qui doit encore faire la preuve de sa compétitivité en termes de coût, ce à quoi s’attelle la recherche qui explore les solutions à base d’électrolyse haute température notamment.
L’autre voie royale de l’utilisation de l’hydrogène –vert ou non, d’ailleurs – est bien entendu la pile à combustible. La technologie est séduisante. Alimentée par de l’hydrogène, elle produit de l’électricité en n’émettant que de la chaleur et de la vapeur d’eau. Elle affranchit la voiture électrique de ses plus grandes faiblesses : autonomie limitée, temps de recharge long. Toutefois, son utilisation à grande échelle dans la voiture particulière n’est pas envisageable sans le déploiement au préalable d’une infrastructure de distribution d’hydrogène adaptée aux usagers. Dans les applications liées à la mobilité, la pile trouve toutefois d’ores et déjà des usages sur des flottes captives, en particulier comme source d’énergie pour des chariots élévateurs dans des sites industriels. Aux États-Unis, plus de 3000 chariots électriques fonctionnent de cette façon. L’avantage : plus de temps perdu à recharger leurs batteries. Il suffit de « faire le plein » d’hydrogène. La France s’y met à son tour. Air Liquide vient ainsi d’installer une station de distribution d’hydrogène chez Ikea pour alimenter, dans un premier temps, une vingtaine de chariots élévateurs de la plate-forme logistique de Saint-Quentin-Fallavier, près de Lyon. Ces chariots élévateurs sont munis de piles à combustible à hydrogène HyPulsion (co-entreprise détenue à 80 % par Axane, filiale d’Air Liquide, et à 20 % par Plug Power). Le déploiement de flottes captives de véhicules électriques utilitaires équipés d’un réservoir d’hydrogène et d’une pile à combustible est également en cours de discussion, comme phase d’amorçage d’un usage grand public. Cette approche spécifique française, sur le modèle du déploiement des véhicules électriques batterie en France, permettrait de réduire les risques d’investissement d’infrastructure dans les premières années.
D’autres applications de niche – stationnaires cette fois – contribuent à amorcer le développement de la technologie. Par exemple, la fourniture de courant pour sites isolés, comme les antennes relais et les bases de télécommunication ; ou encore, des groupes électriques de secours pour des usages critiques ou stratégiques (serveurs informatiques, hôpitaux...) et, plus largement, comme soutien aux réseaux électriques défaillants, dans les pays émergents par exemple.
Reste enfin une application majeure : la cogénération (production simultanée d’électricité et de chaleur) dans les bâtiments. Ici, le Japon est l’incontestable leader avec plus de 20 000 unités vendues et un objectif de 50 000 à 100 000 piles installées par an d’ici à 2015-2020 ! L’Europe s’y lance. L’Allemagne vise 800 systèmes mis en place d’ici à 2015. Le projet européen Ene.Field prévoit quant à lui 1 000 systèmes au même horizon (dont 30 en France). Au total, GDF Suez pense que les piles à combustible pourraient représenter jusqu’à 10 % du marché des chaudières en 2020.