L'hydrogène est souvent présenté comme un vecteur énergétique propre, capable de jouer un rôle majeur dans la transition vers une économie bas carbone. Cependant, son impact environnemental dépend fortement de la manière dont il est produit. Alors que l'hydrogène gris, issu des combustibles fossiles, génère d'importantes émissions de CO2, de nouvelles méthodes de production prometteuses émergent pour réduire l'empreinte carbone de ce gaz. Ces innovations technologiques pourraient transformer l'hydrogène en un véritable allié dans la lutte contre le changement climatique. Quels sont donc les processus qui permettent de produire de l'hydrogène tout en minimisant les émissions de gaz à effet de serre ?
Comment est produit l'hydrogène à faible émission de carbone ?
La production d'hydrogène à faible empreinte carbone repose sur plusieurs technologies innovantes visant à éliminer ou réduire drastiquement les émissions de CO2 associées. Ces méthodes permettent de produire ce que l'on appelle l'hydrogène "vert" ou "bas carbone", par opposition à l'hydrogène "gris" conventionnel issu des énergies fossiles.
L'une des voies les plus prometteuses est l'électrolyse de l'eau alimentée par des sources d'énergie renouvelables. Ce procédé consiste à décomposer la molécule d'eau (H2O) en hydrogène (H2) et oxygène (O2) grâce à un courant électrique d'origine éolienne, solaire ou hydraulique. L'hydrogène ainsi produit est totalement exempt d'émissions directes de CO2.
Une autre approche consiste à capturer et stocker le dioxyde de carbone émis lors de la production d'hydrogène gris par vaporeformage du méthane. Cette technique, appelée "capture et stockage du carbone" (CSC), permet de réduire l'impact climatique de la production d'hydrogène à partir de gaz naturel.
Enfin, des procédés émergents comme la pyrolyse du méthane permettent de produire de l'hydrogène en générant du carbone solide plutôt que du CO2 gazeux, facilitant ainsi sa capture et sa valorisation.
Les avantages de l'électrolyse de l'eau alimentée par des énergies renouvelables
L'électrolyse de l'eau est considérée comme l'une des solutions les plus prometteuses pour produire de l'hydrogène vert à grande échelle. Cette technologie présente l'avantage majeur de n'émettre aucun CO2 direct lors du processus de production, à condition d'utiliser de l'électricité d'origine renouvelable.
Plusieurs types d'électrolyseurs sont actuellement développés et optimisés pour améliorer l'efficacité et réduire les coûts de production. Parmi les technologies les plus avancées, on trouve les électrolyseurs PEM, alcalins et à haute température.
Électrolyseurs PEM (à membrane échangeuse de protons)
Les électrolyseurs PEM utilisent une membrane polymère comme électrolyte, offrant une grande flexibilité d'utilisation. Ils peuvent démarrer rapidement et fonctionner de manière intermittente, ce qui les rend particulièrement adaptés à une alimentation par des énergies renouvelables variables comme l'éolien ou le solaire.
Ces systèmes atteignent des rendements élevés, typiquement entre 60% et 80%, et produisent de l'hydrogène de grande pureté. Leur principal défi reste la réduction des coûts, notamment liés à l'utilisation de catalyseurs en métaux précieux comme le platine.
Électrolyseurs alcalins avancés
La technologie alcaline est la plus mature et la moins coûteuse actuellement. Les électrolyseurs alcalins utilisent une solution d'hydroxyde de potassium comme électrolyte. Les modèles avancés offrent désormais une bonne flexibilité opérationnelle, avec des temps de démarrage réduits.
Leur rendement se situe généralement entre 65% et 75%. Bien que légèrement inférieur aux PEM, ce rendement reste très satisfaisant. Les électrolyseurs alcalins présentent l'avantage d'utiliser des matériaux moins coûteux et plus abondants, ce qui facilite leur déploiement à grande échelle.
Électrolyse à haute température utilisant l'énergie solaire concentrée
L'électrolyse à haute température, également appelée électrolyse à oxyde solide, fonctionne à des températures comprises entre 700°C et 900°C. Cette chaleur peut être fournie par des systèmes solaires à concentration, optimisant ainsi l'utilisation de l'énergie solaire.
Ce procédé présente l'avantage d'un rendement électrique très élevé, pouvant dépasser 90%. Cependant, il pose encore des défis technologiques, notamment en termes de durabilité des matériaux soumis à ces hautes températures. Son développement pourrait ouvrir la voie à une production d'hydrogène vert encore plus efficace dans les régions à fort ensoleillement.
Intégration avec les parcs éoliens offshore
L'intégration d'électrolyseurs avec des parcs éoliens offshore représente une opportunité majeure pour la production d'hydrogène vert à grande échelle. Cette approche permet de valoriser l'électricité excédentaire produite en mer, difficile à injecter dans le réseau électrique terrestre en raison des contraintes de transport.
Des projets pilotes sont en cours pour installer des électrolyseurs directement sur des plateformes en mer. L'hydrogène produit peut ensuite être acheminé à terre par pipeline, offrant une solution de stockage et de transport de l'énergie éolienne plus efficace que les câbles électriques sur de longues distances.
Cette synergie entre éolien offshore et production d'hydrogène pourrait jouer un rôle clé dans le développement des énergies marines renouvelables et la décarbonation de secteurs difficiles à électrifier comme l'industrie lourde ou le transport maritime.
La capture et le stockage du carbone dans la production d'hydrogène gris
La capture et le stockage du carbone (CSC) appliqués à la production d'hydrogène gris permettent de réduire les émissions de CO2 associées au vaporeformage du méthane. Cette approche, produisant ce qu'on appelle l'hydrogène "bleu", est vue comme une solution de transition vers une production entièrement décarbonée.
Différentes technologies de capture du CO2 sont actuellement développées et optimisées pour améliorer l'efficacité et réduire les coûts de ce processus. Vous pouvez en apprendre davantage solutions énergétiques durables sur le site d'EODev en suivant ce lien.
Technologie de capture pré-combustion
La capture pré-combustion intervient avant l'étape de production d'hydrogène proprement dite. Le gaz naturel est d'abord converti en un mélange de CO et d'hydrogène (gaz de synthèse) par reformage. Le CO est ensuite transformé en CO2 par une réaction de water-gas shift, facilitant sa séparation de l'hydrogène.
Cette méthode présente l'avantage de travailler avec des flux de gaz plus concentrés en CO2, ce qui rend la capture plus efficace. Elle permet généralement de capter entre 90% et 95% du CO2 produit. Cependant, elle nécessite des modifications importantes des installations existantes de production d'hydrogène.
Systèmes de capture post-combustion
La capture post-combustion s'applique directement aux gaz d'échappement issus du procédé de vaporeformage. Le CO2 est extrait des fumées, généralement par absorption chimique utilisant des solvants comme les amines.
Cette technologie présente l'avantage de pouvoir être adaptée aux installations existantes sans modification majeure du procédé de production d'hydrogène. Elle est donc plus facilement déployable à court terme. Son principal défi reste l'optimisation énergétique, car la séparation du CO2 dilué dans les fumées nécessite une quantité importante d'énergie.
Stockage géologique du CO2 capturé
Une fois capturé, le CO2 doit être stocké de manière sûre et permanente pour éviter son relâchement dans l'atmosphère. Le stockage géologique dans des formations souterraines profondes est actuellement considéré comme la solution la plus viable à grande échelle.
Plusieurs types de sites de stockage sont envisagés :
- Les anciens gisements de pétrole et de gaz naturel
- Les aquifères salins profonds
- Les veines de charbon inexploitables
Le stockage géologique soulève cependant des questions de sécurité à long terme et d'acceptabilité sociale. Des technologies de surveillance avancées sont développées pour garantir l'intégrité des sites de stockage et détecter d'éventuelles fuites.
La production d'hydrogène par pyrolyse du méthane
La pyrolyse du méthane est une technologie émergente qui offre une alternative prometteuse pour produire de l'hydrogène à faible empreinte carbone. Contrairement au vaporeformage traditionnel, ce procédé décompose le méthane en hydrogène et carbone solide, évitant ainsi la production de CO2 gazeux.
Le processus se déroule à haute température (environ 1000°C) en l'absence d'oxygène. Il peut être réalisé dans différents types de réacteurs, notamment :
- Les réacteurs à lit fluidisé
- Les réacteurs à plasma
- Les réacteurs à métal liquide
L'un des principaux avantages de la pyrolyse du méthane est la production de carbone solide sous forme de noir de carbone ou de nanotubes de carbone, qui peuvent être valorisés dans diverses applications industrielles. Cette valorisation du coproduit carbone améliore le bilan économique et environnemental du procédé.
Bien que cette technologie soit encore au stade de démonstration, elle suscite un intérêt croissant car elle pourrait permettre de produire de l'hydrogène à partir de gaz naturel avec une empreinte carbone très faible, tout en étant potentiellement moins coûteuse que l'électrolyse.
Réduction des émissions indirectes dans la chaîne de valeur de l'hydrogène
La réduction de l'empreinte carbone de l'hydrogène nécessite d'optimiser l'ensemble de sa chaîne de valeur. Cela inclut le transport, le stockage et la distribution de l'hydrogène, ainsi que la fabrication des équipements nécessaires à son utilisation.
Optimisation du transport et du stockage de l'hydrogène
Le transport et le stockage de l'hydrogène peuvent générer des émissions indirectes, notamment liées à la compression ou la liquéfaction nécessaire pour densifier ce gaz très léger. Plusieurs approches sont développées pour minimiser ces émissions :
L'utilisation de pipelines dédiés à l'hydrogène sur de longues distances permet de réduire l'énergie nécessaire au transport par rapport au transport routier. Des projets de conversion de gazoducs existants à l'hydrogène sont à l'étude dans plusieurs pays européens.
Le développement de nouveaux matériaux composites pour les réservoirs haute pression permet d'augmenter la densité de stockage tout en réduisant le poids des conteneurs, améliorant ainsi l'efficacité énergétique du transport routier lorsqu'il est nécessaire.
Utilisation de matériaux à faible empreinte carbone dans les infrastructures
La construction des infrastructures nécessaires à la production, au transport et à l'utilisation de l'hydrogène peut également générer des émissions indirectes importantes. L'utilisation de matériaux à faible empreinte carbone est donc importante pour minimiser l'impact global de la filière hydrogène.
Plusieurs pistes sont explorées :
- L'utilisation d'aciers bas carbone produits par réduction directe à l'hydrogène pour la fabrication des pipelines et des réservoirs
- Le recours à des bétons bas carbone pour la construction des unités de production
- L'intégration de matériaux recyclés dans la fabrication des électrolyseurs et des piles à combustible
Efficacité énergétique dans les processus de compression et de liquéfaction
La compression et la liquéfaction de l'hydrogène sont des étapes énergivores qui peuvent impacter le bilan carbone global. L'amélioration de l'efficacité énergétique de ces processus est donc un enjeu majeur.
Des technologies innovantes sont en développement, comme les compresseurs électrochimiques qui permettent de comprimer l'hydrogène directement lors de sa production par électrolyse, réduisant ainsi la consommation énergétique globale.
Pour la liquéfaction, des cycles thermodynamiques avancés sont étudiés pour réduire la consommation d'énergie, qui peut actuellement représenter jusqu'à 30% du contenu énergétique de l'hydrogène liquéfié.
Analyse du cycle de vie et quantification des réductions d'émissions
Pour évaluer précisément l'impact des différentes méthodes de production d'hydrogène sur les émissions de gaz à effet de serre, il faut réaliser des analyses de cycle de vie (ACV) complètes. Ces études prennent en compte l'ensemble des émissions directes et indirectes, depuis l'extraction des matières premières jusqu'à l'utilisation finale de l'hydrogène.
Les ACV permettent de comparer objectivement les différentes filières de production et d'identifier les points critiques où des améliorations sont nécessaires. Elles incluent notamment :
- Les émissions liées à la production d'électricité pour l'électrolyse
- Les émissions associées à la fabrication des équipements (électrolyseurs, piles à combustible, etc.)
- L'impact du transport et du stockage de l'hydrogène
- Les émissions évitées dans les secteurs d'utilisation finale
Les résultats des ACV montrent généralement que l'hydrogène produit par électrolyse à partir d'électricité renouvelable présente le meilleur bilan carbone sur l'ensemble du cycle de vie. Selon une étude récente de l'Agence Internationale de l'Énergie, les émissions de CO2 associées à la production d'hydrogène vert par électrolyse sont d'environ 0,5 à 3 kg CO2 par kg d'hydrogène, contre 9 à 12 kg CO2/kg H2 pour l'hydrogène gris issu du vaporeformage du gaz naturel sans CSC.
L'hydrogène bleu, produit à partir de gaz naturel avec CSC, se situe entre les deux avec des émissions de l'ordre de 1 à 4 kg CO2/kg H2 selon l'efficacité du système de capture. La pyrolyse du méthane pourrait atteindre des niveaux d'émissions similaires à l'hydrogène vert, mais les données sont encore limitées pour cette technologie émergente.
Il est important de noter que ces chiffres peuvent varier selon le contexte local, notamment le mix électrique pour l'électrolyse ou la distance de transport de l'hydrogène. Une analyse au cas par cas est donc nécessaire pour évaluer précisément l'impact d'un projet spécifique de production d'hydrogène.
La quantification des réductions d'émissions permises par l'utilisation d'hydrogène bas carbone dépend également fortement du secteur d'application. Par exemple, dans le secteur des transports, le remplacement de véhicules diesel par des véhicules à pile à combustible alimentés en hydrogène vert pourrait réduire les émissions de CO2 de 80 à 95% sur l'ensemble du cycle de vie. Dans l'industrie, l'utilisation d'hydrogène vert pour la production d'acier pourrait permettre des réductions d'émissions de l'ordre de 95% par rapport au procédé conventionnel au charbon.
Ces analyses de cycle de vie guident les politiques publiques et les investissements dans la filière hydrogène. Elles permettent d'identifier les leviers les plus efficaces pour réduire l'empreinte carbone globale de l'hydrogène et de maximiser son potentiel de décarbonation dans différents secteurs de l'économie.
En conclusion, la production d'hydrogène à faible empreinte carbone offre un potentiel considérable de réduction des émissions de gaz à effet de serre dans de nombreux secteurs. L'électrolyse alimentée par des énergies renouvelables apparaît comme la solution la plus prometteuse à long terme, mais d'autres technologies comme la capture et le stockage du carbone ou la pyrolyse du méthane peuvent jouer un rôle important dans la transition vers une économie hydrogène décarbonée.
Les défis restent nombreux, notamment en termes de réduction des coûts et de déploiement des infrastructures nécessaires. Cependant, les progrès technologiques rapides et l'engagement croissant des gouvernements et des industriels laissent entrevoir un développement accéléré de l'hydrogène bas carbone dans les années à venir. Cette évolution pourrait marquer un tournant majeur dans la lutte contre le changement climatique et la transition vers un système énergétique durable.