Décarbonons l’hydrogène avant d’en promouvoir les usages (Tribune)

Décarbonons l’hydrogène avant d’en promouvoir les usages (Tribune)

maxence cordiez l'hydrogene

L’hydrogène occupe une large place dans le débat sur la transition énergétique. On tend même parfois à y voir une solution miraculeuse, apte à nous libérer de notre dépendance aux combustibles fossiles, néfastes pour le climat et dont l’épuisement représente un danger pour nos sociétés. Comme souvent, les perspectives réelles de l’hydrogène sont plus nuancées et mélangent un potentiel certain avec de vraies limites et difficultés de déploiement. Il faut en tenir compte afin de ne pas conditionner l’atteinte de nos objectifs climatiques à des attentes peu réalistes. Une tribune de Maxence Cordiez, ingénieur dans le secteur de l’énergie. 

L’hydrogène, qu’est-ce que c’est ?

L’hydrogène, ou plutôt devrait-on dire le dihydrogène (molécule constituée de deux atomes d’hydrogène) est un gaz très léger qui peut servir à la fois de combustible et de précurseur chimique (réducteur) pour fabriquer des molécules de synthèse, notamment des hydrocarbures. Aujourd’hui la France consomme environ un million de tonnes d’hydrogène par an, essentiellement dans le raffinage de pétrole (60%), mais aussi dans la production d’ammoniac et d’engrais (25%) et la chimie (10%)[1].

L’hydrogène n’est pas directement extrait de l’environnement comme le pétrole ou le méthane, on doit le produire de différentes manières : à partir d’hydrocarbures fossiles (ce qui émet du CO2) ou par électrolyse de l’eau (ce qui coûte cher et demande d’importantes quantités d’électricité, pas nécessairement bas-carbone). Aujourd’hui, l’hydrogène est essentiellement produit par la première voie, plus compétitive : vaporeformage de méthane, gazéification de charbon et oxydation d’hydrocarbures liquides. La production française d’hydrogène conduit à l’émission d’environ 4 millions de tonnes de CO2 par an, ce qui représente environ 0,9% des gaz à effet de serre émis sur le territoire.

La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau n’émet pas de gaz à effet de serre directement mais elle nécessite de l’électricité qui peut être plus ou moins carbonée selon la manière dont elle est produite. Ce procédé est plus coûteux que ceux reposant sur des matières fossiles car le double changement de vecteur énergétique – avec l’électricité en vecteur énergétique intermédiaire – induit des pertes et nécessite de coûteuses infrastructures. L’électrolyse ne répond aujourd’hui qu’à 5% de la demande française d’hydrogène et concerne des applications requérant de l’hydrogène particulièrement pur.

Commençons à décarboner l’hydrogène avant d’en promouvoir les usages

De ce qui précède, on comprendra aisément que la priorité n’est pas de promouvoir les usages de l’hydrogène (aujourd’hui plus coûteux que les combustibles fossiles en utilisation directe, plus difficile à manipuler et dont la synthèse est fortement émettrice de gaz à effet de serre) mais sa décarbonation. Cela implique de produire l’hydrogène par électrolyse de l’eau, à partir d’électricité bas-carbone. Sur ce plan, la France est idéalement placée, son bouquet électrique étant d’ores et déjà faiblement carboné grâce aux énergies nucléaire, hydroélectrique, éolienne et solaire.

Afin de décarboner à large échelle la production d’hydrogène et lui assurer un vrai rôle dans la transition énergétique, il faut que sa production soit la plus compétitive possible. Cela suppose principalement deux choses : bénéficier d’une électricité bon marché et faire fonctionner les électrolyseurs avec un facteur de charge élevé, pour répartir leurs coûts fixes sur une vaste production [2]. En effet, plus le facteur de charge d’un électrolyseur est haut, moins l’hydrogène produit est coûteux. Cette constatation est difficilement compatible avec l’idée fréquemment évoquée de produire l’hydrogène à partir de surplus marginaux d’électricité éolienne et solaire. Pour maximiser le facteur de charge des électrolyseurs, toutes les sources d’électricité bas-carbone doivent être accessibles et en particulier celles à même de produire à la demande (hydroélectricité et nucléaire).

L’idée de produire de l’hydrogène à partir de surplus marginaux d’électricité vient du fait qu’en période de forte production éolienne ou solaire et de faible demande, la valeur marchande de l’électricité peut être faible voire négative, rendant intrinsèquement rentable la production d’hydrogène. Il s’agit d’un raisonnement incomplet. Que la valeur de l’électricité soit faible voire négative ne signifie pas qu’elle ne coûte rien à produire. Une éolienne, une centrale nucléaire ou à gaz ne sont pas gratuites. Ainsi, l’écart entre le coût de production et la valeur marchande est nécessairement payé par quelqu’un, en l’occurrence le contribuable via les mécanismes de complément de rémunération aux opérateurs de capacités électrogènes renouvelables. Le coût de l’énergie doit donc être considéré à l’échelle de la société. Il faut tenir compte de ce que paye le consommateur-contribuable pour l’accès à l’énergie à la fois via ses factures, ses taxes et ses impôts. Dans le cas qui nous intéresse, l’électricité serait peu chère voire gratuite pour l’industriel exploitant l’électrolyseur, car payée par le contribuable, et le facteur de charge des électrolyseurs serait faible. Le coût de production de l’hydrogène serait donc élevé pour le consommateur-contribuable, même si une partie de ce coût serait cachée dans la fiscalité.

Ne surestimons pas le potentiel de l’hydrogène

L’hydrogène pourra jouer un rôle significatif dans la décarbonation de l’industrie et de la mobilité lourde si son déploiement en France et en Europe est servi par une stratégie pragmatique et bien pensée. Cette contribution de l’hydrogène à la lutte contre le changement climatique pourrait être directe et indirecte en tant que précurseur à la synthèse d’hydrocarbures, par réaction avec du CO2 d’origine non fossile.

Il convient cependant de ne jamais perdre de vue que l’hydrogène est un vecteur énergétique bien plus coûteux, moins facile à manipuler et moins dense énergétiquement que les carburants liquides issus du pétrole. Il ne pourra donc pas remplacer ces derniers de manière transparente pour le consommateur. Des efforts de sobriété et d’efficacité devront nécessairement accompagner son déploiement. Qu’un usage donné de l’hydrogène soit techniquement possible n’implique pas qu’il soit économiquement réaliste.

Prenons l’exemple du secteur ferroviaire français. Les locomotives à diesel roulent sur les lignes non électrifiées car les moins rentables. Ces trains assurent des dessertes parfois fortement déficitaires et ne sont ni remplacés ni même parfois bien entretenus. On imagine aisément que le fait de pouvoir techniquement faire rouler un train à l’hydrogène ne suffit pas à assurer la viabilité économique du concept. Sur des lignes menacées de fermeture, il apparaît peu probable de remplacer les motrices par de nouvelles roulant avec un combustible particulièrement onéreux. Ainsi, dans de nombreuses applications, le futur de l’hydrogène est conditionné à des changements parfois radicaux d’approche économique (soutien à la mobilité ferroviaire, par exemple).

L’hydrogène est une composante nécessaire de la transition énergétique, pour décarboner certaines activités difficilement électrifiables. Cependant, l’avenir de la filière est conditionné au pragmatisme des stratégies de déploiement : ouvrir de manière indifférenciée sa production à toutes les énergies bas-carbone, faire fonctionner les électrolyseurs avec un facteur de charge élevé tout en assurant en temps réel la production électrique qui doit les alimenter, ne pas se défaire de capacités électrogènes bas-carbone pouvant être encore exploitées (et au contraire, continuer à en développer), etc. En parallèle, le potentiel de l’hydrogène doit être évalué avec nuance et sérieux. Nous ne pouvons pas le décréter de manière à ce qu’il colle à nos souhaits. Nous devons au contraire adapter nos souhaits de manière à ce qu’ils n’excèdent pas ce que l’hydrogène peut avoir à offrir.

[1] RTE, La transition vers un hydrogène bas carbone, janvier 2020

[2] IEA, The Future of Hydrogen, juin 2019

Rédigé par : Maxence Cordiez

Maxence Cordiez
Ingénieur diplômé de Chimie ParisTech – PSL et titulaire d’une maîtrise en cycle du combustible nucléaire, Maxence Cordiez a occupé divers postes en ingénierie d’étude avant de rejoindre l’ambassade de France à Londres de 2016 à 2018 en tant qu’adjoint au conseiller nucléaire. Il a ensuite rejoint un grand organisme de recherche français spécialisé dans les énergies bas-carbone, pour lequel il a d’abord réalisé des analyses stratégiques. Il s’occupe à présent d’affaires européennes. En parallèle de ses activités professionnelles, Maxence Cordiez publie régulièrement des articles traitant des liens entre énergie, écologie, économie et changement climatique dans des journaux nationaux et revues spécialisées. Il est également actif sur Linkedin et Twitter sur ces problématiques.
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COMMENTAIRES

  • Arrêtons de chercher des solutions !!!
    Il faut exploiter l hydrogène natif.
    Une énergie qui se renouvelle en permanence, c est la clé de notre avenir.
    Faites tourner 😜

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  • Ok vous parlez d’une future gabegie H2.
    La gabegie actuelle avec les énergies renouvelables est déjà un énorme problème. Incidieusement les producteurs n’ont pas d’intérêt à être rentable car on leurs achète l’électricité qu’ils produisent qu’elle soit consommée ou non, à un tarif fixe et sans les obliger à investir dans les centrale au gaz pour compléter la production lors de l’intermittence…
    J’ajoute que ces producteurs importent l’essentiel du matériel panneaux et éoliennes et qu’ils financent les retraites d’autres pays avec nos subventions. Cela n’a développé aucune filière en France, l’installation et la maintenance sont faites par des filiales d’opérateur étrangers.
    Le H2 sera produit dans des conditions analogues, c’est une réelle aubaine pour des acteurs qui vont arriver comme des mouches…

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  • Article intéressant, mais il serait pertinent, pour ne pas dire honnête, de préciser que vous travaillez pour le CEA (le fameux organisme de recherche spécialisé dans les sources d’énergie “bas-carbone” et pas du tout dans le nucléaire…) quand vous pointez à plusieurs reprises vers l’intérêt supposé du nucléaire comme source d’électricité bas-carbone…

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  • Le prochain danger de destruction de la couche d’ozone c’est : l’hydrogène, qui ultra-léger file à toute vitesse vers les hautes couches de l’atmosphère jusqu’à rencontrer les atomes d’oxygène de l’ozone et se transforme avec eux en eau pour retomber quelques temps plus tard, mais pendant ce temps là la couche d’ozone est détruite et ne se régénère pas du tout instantanément. Les fuites d’H² sont très nombreuses au point qu’il serait nécessaire qu’une autorité donne l’alarme sur ce sujet. Ai-je été assez clair !

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  • Article rédigé uniquement dans le but de valoriser le nucléaire et de présenter les surplus de productions éoliennes comme étant marginales et inaptes à produire de l’hydrogène. C’est feindre de ne pas croire que par vent fort les éoliennes produisent jusqu’à 4 fois ce qu’elles produisent en régime moyen, celui pour lequel il faut s’équiper pour pouvoir assurer le 100% ENR. Cela signifie que durant les périodes de fort vent c’est jusqu’à 4 fois la consommation moyenne du pays qui sera produite et que Monsieur Cordiez propose de laisser perdre en déconnectant les éoliennes, uniquement pour justifier du surplus aussi nocturne que régulier des réacteurs nucléaires.

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  • Cet article omet tout le problème du stockage de l’hydrogène avant son utilisation. soit pression élevée (>=200 bars) dans des réservoirs spéciaux, soit refroidissement à 4°K à la pression atmosphérique. Dans les deux cas beaucoup d’énergie électrique dépensée avant passage dans un catalyseur (les meilleurs au platine) pour produire de l’électricité. Au demeurant avec un PCS théorique de 33 kWh/kg ramené à environ 15 kWh/kg avec les meilleurs catalyseurs et une consommation minimale de 5 à 7 kWh/kg pour la compression ou la liquéfaction, le rendement final n’est pas extraordinaire et le coût pour l’usager vraiment élevé. Le monde industriel et le niveau de vie du citoyen moyen sont assez loin de ce qui est permis dans le spatial ou les laboratoires;
    Prêt à discuter avec vous du facteur Z.

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