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Produire de l’hydrogène décarboné

L’hydrogène est un vecteur d’énergie pour la transition énergétique à condition qu’il soit décarboné, c’est-à-dire qu’il soit produit par des énergies renouvelables. Rappel des techniques en vigueur et des usages.

Électrolyse et gazéification
 
C’est dans l’électrolyse de l’eau, avec de l’électricité provenant d’énergies renouvelables intermittentes, que réside le réel potentiel de production d’hydrogène décarboné. Les surplus de production des éoliennes et des installations photovoltaïques peuvent en effet être utilisés pour cette transformation. Cependant, cette voie est aujourd’hui encore deux à trois fois plus coûteuse que le reformage du gaz naturel. La filière doit donc travailler à la baisse des coûts de production.
 
Il est également possible de produire de l’hydrogène par gazéification, avec combustion de charbon (à exclure pour le bilan carbone) ou de biomasse. Cette dernière solution permet un recyclage de la biomasse ligneuse ou solide peu propice à la méthanisation et est donc intéressante. La production de dihydrogène (H2) peut être aussi réalisée par reformage du gaz naturel à la vapeur d’eau. Pour être décarbonée, cette opération nécessite l’utilisation de biométhane. Mais est-ce la meilleure utilisation pour ce dernier, son usage direct en injection assurant un rendement sans perte d’énergie ?
 
Panneau hydrogène
 
Il existe une autre source de production, encore à l’état de veille technologique : la ville de Sendai et l’université du Tohoku, dans la préfecture de Miyagi, au Japon, ont conjointement commencé en automne 2003 à développer un système pour produire de l’hydrogène à partir des boues d’épuration selon le principe la photo-décomposition de sulfure d’hydrogène (H2S) par expositions aux rayons solaires.
 
Par ailleurs, des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley et du Centre commun de photosynthèse artificielle (États-Unis) ont mis au point une « cellule hybride photo-électrochimique et voltaïque (HPEV) », un dispositif qui transforme la lumière du Soleil non pas seulement en hydrogène, mais aussi en électricité. Cette double production permettrait d’entrevoir des rendements de l’ordre de 20 %.
 
Avantage mobilité
 
Le postulat de l’hydrogène décarboné se base donc, en plus de la gazéification de la biomasse non valorisable en méthane, sur le surplus des énergies renouvelables intermittentes et donc un développement fort de celles-ci. Avec une question en filigrane : est-ce le meilleur moyen d’utiliser et de stocker l’électricité en surplus ?
 
L’hydrogène est sans conteste un moyen intéressant de stocker le surplus d’électricité, mais pas forcément celui qui présente le meilleur rendement. L’utilisation directe de ce surplus pour la charge de véhicules électriques est plus performante. Cependant, l’hydrogène présente un intérêt particulier dans la décarbonation de la mobilité et des transports en général grâce aux piles à combustible embarquées dans des véhicules qui convertissent alors l’hydrogène en électricité. Avantage par rapport aux véhicules électriques sur batterie : temps de recharge rapide et grande autonomie. Pour envisager un déploiement à grande échelle, économiquement viable, c’est-à-dire après la phase de lancement subventionné par les États (comme le nucléaire !) il faudra diviser les coûts de production par électrolyse, déterminer un coût du CO2, tenir compte des baisses de rendement à chaque étape (électricité vers hydrogène puis hydrogène vers électricité), et déployer en parallèle les infrastructures de transport. C’est cette dernière étape qui se déroule actuellement. 
 

Valorisation de l’hydrogène décarboné
Trois grandes voies de valorisation sont possibles :
• Power-to-Industry : utilisation directe de la production pour décarboner les process industriels ;
• Power-to-Gas : valorisation par injection dans le réseau gaz ou par production de méthane de synthèse (méthanation) ;
• Power-to-Power : production d’électricité grâce aux piles à combustible (pour la mobilité en particulier).

Il est également possible d’utiliser l’hydrogène en carburant pour les moteurs thermiques, mais ce procédé ne serait pas performant. 

À propos de l'auteur

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