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L’hydrogène c’est nouveau ?

https://youtu.be/owPgJoWp-ZM

L’hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’Univers. Son omniprésence sur Terre fait que l’on le retrouve notamment dans l’eau et les ressources fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel, soit l’ensemble des hydrocarbures).
Depuis des années, celui que l’on appelle communément « hydrogène » (mais qui est en réalité un gaz chimiquement appelé le dihydrogène, ou H2) est utilisé dans le secteur de l’industrie, en sa qualité d’élément chimique de base (pour le raffinage pétrolier, la production d’ammoniac et d’engrais azotés…). Mais la quasi-totalité de l’hydrogène actuellement utilisé est produit par vaporeformage. C’est ce qu’on appelle : « l’hydrogène carboné ».
L’hydrogène peut également être utilisé en tant que vecteur énergétique. En effet, il permet de stocker et transporter de l’énergie et est ainsi un vecteur important pour le développement des énergies renouvelables, notamment intermittentes. L’énergie stockée sous forme d’H2 est ensuite transformée en électricité via une pile à combustible, l’hydrogène est donc ce que l’on appelle un vecteur énergétique et non une énergie en tant que telle, car il est produit au moyen d’une réaction chimique à partir d’une ressource primaire.

 

Qu’est-ce que l’hydrogène renouvelable ?

Depuis 2021 et l’ordonnance n°2021-167 du 17 février 2021, la production d’hydrogène a été distinguée en trois catégories :

  • Hydrogène renouvelable  : produit soit par électrolyse ou autre technologie en utilisant de l’électricité issue de sources d’énergies renouvelables. Son procédé de production émet, par kilogramme d’hydrogène produit, une quantité d’équivalents dioxyde de carbone inférieure ou égale à un seuil (définition à venir).
  • Hydrogène bas-carbone  : avec un procédé de production engendrant des émissions inférieures ou égales au seuil retenu pour la qualification d’hydrogène renouvelable, sans pouvoir, pour autant, recevoir cette dernière qualification, faute d’en remplir les autres critères.
  • Hydrogène carboné  : l’hydrogène qui n’est ni renouvelable, ni bas-carbone. Il a donc un procédé de production supérieur au seuil retenu.

Ces trois catégories se distinguent donc par un seuil d’émission de gaz à effet de serre et par l’origine de la source primaire utilisée produire de l’hydrogène.

L’hydrogène renouvelable est fabriqué par le procédé dit « d’électrolyse de l’eau » à partir d’électricité provenant d’énergies renouvelables. Ce procédé consiste à dissocier l’hydrogène et l’oxygène composant la molécule d’eau à l’aide d’un courant électrique. L’hydrogène renouvelable permet notamment de stocker, transporter et distribuer cette électricité « intermittente ».
Selon une étude publiée en décembre 2020 par l’ADEME sur l’analyse du cycle de vie, l’hydrogène renouvelable fabriqué avec de l’électricité renouvelable n’émet que 1,6 kg de CO2 pour 1 kg produit, contre 11 kg de CO2 actuellement en France pour de l’hydrogène carboné.
Dans le scénario Région à énergie positive de la Région Occitanie, l’énergie électrique orientée pour la production d’H2 renouvelable est évaluée en 2050 à l’équivalent de 30 % de la production annuelle éolienne terrestre, marine et photovoltaïque.

 

Pourquoi autant d’engouement pour l’hydrogène renouvelable aujourd’hui ?

L’hydrogène renouvelable constitue un vecteur d’avenir pour la transition énergétique. En effet, il permet notamment de palier le problème d’intermittence des énergies renouvelables, et peut être transporté et stocké sous forme gazeuse ou liquide.
L’hydrogène d’origine renouvelable peut être utilisé à destination de différents usages pour répondre à des enjeux divers :

  • décarboner l’utilisation industrielle actuelle et historique de l’hydrogène : en venant se substituer à l’hydrogène carboné, l’hydrogène renouvelable peut être utilisé dans le secteur historique de ce vecteur : l’industrie (métallurgie, pétrochimie, ammoniac engrais, verrerie etc.)
  • optimiser la production d’électricité renouvelable via les réseaux : l’hydrogène renouvelable peut être associé au dioxyde de carbone (CO2) pour produire du méthane ou CH2 (on parle de méthanation) pour être notamment injecté dans les réseaux gaziers afin de pouvoir le transporter et le stocker. Il peut également être stocké pour être converti en électricité lors des pics de consommation et ainsi rendre service au réseau électrique. C’est un vecteur énergétique permettant de convertir de l’électricité en gaz (on parle de Power-to-Gaz) ou du gaz en l’électricité (Gaz-to-Power). Il offre ainsi une flexibilité et une optimisation de la production électrique.
  • L’hydrogène pourrait être injecté directement dans les réseaux gaziers pour y être stocké. Cependant, il se confronte aujourd’hui à des difficulté technique, économique et réglementaire. Cette injection est à ce jour expérimentée à l’échelle démonstrateur.
  • participer à la décarbonation des transports : utilisé pour des véhicules électriques à hydrogène (VE-H), ce vecteur énergétique est adapté aux usages intensifs orientés pour la mobilité lourde (bus, autocars, camions, poids lourds, bennes à ordures ménagères, trains etc.).
  • rendre autonome des Zones Non Interconnectées : l’hydrogène renouvelable donne de nouvelles opportunités pour l’autoconsommation d’énergies locales.

 

Le sujet de l’hydrogène est devenu majeur à toutes les échelles : européenne, nationale et régionale. De nombreux plans d’investissement ont été mis en œuvre pour le développement d’une filière d’hydrogène bas carbone :

Au niveau européen

  • le plan de déploiement de l’hydrogène présenté par la Commission Européenne a pour objectif d’établir un programme d’investissement sur la filière pour le développement de capacité de production d’hydrogène vert par électrolyse de l’eau à partir d’énergies renouvelables : 6 GW d’ici 2024, 40 GW d’ici 2030
  • l’Europe a lancé en juillet 2020 l’« Alliance européenne pour l’hydrogène propre ». L’alliance est composée d’industriels, d’autorités publiques, et d’autres parties prenantes. Elle assure le pilotage du plan de déploiement et le développement du portefeuille de projets dans la durée. La Région Occitanie est membre de l’alliance. Elle est dotée d’une enveloppe de 300 millions d’euros cette année. Elle lance des appels à projets sur 40 sujets en lien avec l’hydrogène.

Au niveau national

Le plan de soutien de 7,2 milliards d’euros jusqu’en 2030 avec trois priorités :

  • décarboner l’industrie en faisant émerger une filière française de l’électrolyse,
  • développer une mobilité lourde à l’hydrogène décarboné,
  • soutenir la recherche, l’innovation et le développement de compétences afin de favoriser les usages de demain.

France relance 2030 vise à développer la compétitivité industrielle et les technologies d’avenir décarbonées. Le Président de la République a annoncé 1,9 milliards d’euros d’aides supplémentaires au Plan H2.

Au niveau régional

L’H2 se construit un avenir :
Le Plan H2 vert d’Occitanie à horizon 2030 de 150 millions d’euros vise à implanter des écosystèmes H2 en Occitanie, en s’appuyant sur cinq axes :

  • soutenir les projets de production d’hydrogène, de stockage et de distribution,
  • soutenir les usages de l’hydrogène,
  • soutenir des écosystèmes territoriaux hydrogène et mobiliser les citoyens,
  • positionner l’Occitanie comme région leader au niveau européen,
  • anticiper les besoins en compétences pour les métiers de demain autour de l’hydrogène vert.

La stratégie Région à énergie positive à horizon 2050 : l’énergie électrique utilisée pour la production d’hydrogène a été évaluée en 2050 à l’équivalent de 30% de la production éolienne et photovoltaïque.

 

Quelle place peut prendre l’hydrogène dans ma stratégie énergétique territoriale ?

Au regard des compétences des collectivités, l’usage hydrogène-mobilité semble être le plus pertinent à développer pour les territoires.
En mobilité, il existe d’autres solutions pour décarboner certains secteurs et activités : l’électricité et le biogaz (ou BioGNV) issue de la méthanisation de matières organiques (biomasse). En termes de mobilité, le choix du type de carburant doit s’effectuer en fonction de l’usage et du type de véhicule utilisé.

L’hydrogène renouvelable apporte une autonomie aux véhicules plus importante que l’usage direct de l’électricité. En effet le véhicule hydrogène va permettre d’emporter un plus gros volume énergétique en comparaison aux batteries, qui sont rapidement lourdes et volumineuses. Ce qui rend l’usage de l’hydrogène d’autant plus pertinent lorsqu’il concerne la mobilité lourde.

Le temps de recharge donne également l’avantage à l’hydrogène. Il ne faut compter que quelques minutes pour une charge complète du véhicule contre 30 minutes à plusieurs heures pour un véhicule électrique (selon le mode de recharge).

En revanche, concernant l’efficacité énergétique, les véhicules à hydrogène sont "perdants". Les véhicules électriques vont utiliser une part plus importante de l’énergie initiale là où les véhicules hydrogène en utiliseront moins en raison du nombre d’étapes de transformation (électrolyse, compression et pile à combustible). Le rendement énergétique des véhicules électriques est donc meilleur que celui des véhicules à hydrogène. Mais pour rappel, cela est plus particulièrement vrai pour la mobilité légère comme les masses et volumes des batteries ne permettent pas une autonomie suffisante à la mobilité lourde.

Par conséquent, l’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique est préconisée pour une mobilité en usages intensifs :

  • flottes captives,
  • véhicules effectuant de longues distances,
  • mobilité lourde (poids lourds, transporteurs, etc.)

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Dépenses énergétiques et hydriques

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Energie nécessaire pour produire un kg d’hydrogène
Diagramme de Sankey, exprimant l’énergie nécessaire pour produire un kg d’hydrogène, ainsi que l’énergie électrique résultante.

Source : Ademe - rendement de la chaîne hydrogène - janvier 2020

Ce schéma montre l’énergie nécessaire pour produire 1 kg d’hydrogène. Il montre aussi le rendement électrique global depuis la source d’énergie pour l’électrolyseur jusqu’à l’utilisation dans la mobilité. Ce rendement est de 23%. A noter que ce rendement s’améliore en intégrant la récupération de la chaleur, possible au sein de la pile à combustible. A titre de comparaison, le rendement "Carnot" des moteurs à combustion interne utilisés pour la propulsion des véhicules thermiques en ville atteint difficilement 25 ou 30%.
Pour produire de l’hydrogène renouvelable par électrolyse, il est nécessaire d’avoir de l’électricité et de l’eau. C’est en « cassant » la molécule d’eau par apport d’un courant électrique que l’hydrogène peut alors être récupéré. L’eau utilisée pour l’électrolyse est dans la majorité des cas issue du réseau urbain. Elle doit d’abord être déminéralisée pour être utilisée dans le procédé d’électrolyse, cela nécessite donc l’utilisation d’un purificateur. Les projets hydrogène sont donc consommateurs d’eau.
Il est important de s’intéresser au rendement sur la consommation en eau, en considérant son impact environnemental en fonction des zones géographiques où l’utilisation de la ressource en eau peut être limitée . Pour ces zones en stress hydrique, les services de l’Etat recommandent une étude d’impact.
Pour les projets de grande taille : pour produire 1 kg d’H2 par électrolyse de l’eau, environ 20 L d’eau brute (avant purification et déminéralisation) sont nécessaires (au premier semestre 2022). Selon la qualité en sortie de purificateur, une partie de cette eau pourrait être réutilisée.

 

L’hydrogène renouvelable et les collectivités

Les questions à se poser en tant que collectivité :
• Est-ce que ma collectivité a déjà engagé un plan d’action sur la (PCAET, Schéma Directeur de l’Énergie, etc.) ?
• Est-ce que ma collectivité a des usages potentiels d’hydrogène sur son territoire, notamment pour la mobilité ?
• Est-ce que ma collectivité a des sources d’énergies renouvelables dans et autour de son territoire ?
• Est-ce que ma collectivité a des usages industriels ?

 

Pour aller plus loin

Consulter le Scénario Région Occitanie à énergie positive