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Hydrogène fatal : l’atout maître

La pro­duc­tion d’hydrogène est vitale pour son déploiement. L’hydrogène indus­triel copro­duit est aus­si appelé hydrogène fatal. Que se cache-t-il der­rière ce terme ? Quel est l’enjeu de cette source d’hydrogène ? Com­ment cela s’inscrit-il dans un pro­jet de territoire ? 
Ce sont des ques­tions aux­quelles nous allons ten­ter de répon­dre à tra­vers cet arti­cle réal­isé en parte­nar­i­at avec le cab­i­net de con­seil EnerKa.

Le secteur de l’hydrogène est en pleine muta­tion. Entre les démon­stra­teurs tech­niques qui ont fait leurs preuves et les pro­jets de déploiement visant la via­bil­ité économique, la ques­tion du moyen de pro­duc­tion de l’hydrogène est cen­trale. Face à d’autres vecteurs énergé­tiques tels que l’électricité ou le méthane, l’hydrogène pos­sède une spé­ci­ficité qui le place en posi­tion avantageuse.
 
Pro­duc­tion d’hydrogène fatal
 
Il faut tout d’abord dis­tinguer l’hydrogène volon­taire­ment pro­duit (hydrogène dit « cap­tif » ou « marc­hand ») de l’hydrogène résul­tant d’un procédé non des­tiné à sa pro­duc­tion (hydrogène dit « copro­duit »). Ce dernier est générale­ment soit réu­til­isé dans d’autres procédés (quelque­fois même reven­du), soit brûlé ou éven­té (rejeté à l’air libre). Dans l’industrie, on dis­tinguera égale­ment l’utilisation de l’hydrogène pour ses pro­priétés physi­co-chim­iques (hors énergie), que l’on qual­i­fiera d’hydrogène matière (pro­duc­tion d’engrais azotés par exem­ple), de l’hydrogène util­isé pour ses pro­priétés énergé­tiques, que l’on qual­i­fiera d’hydrogène énergie (pro­duc­tion de chaleur par exem­ple). À not­er que les usages énergé­tiques de l’hydrogène sont plus facile­ment sub­sti­tu­ables que les usages matière. En effet, la chaleur peut être pro­duite avec du gaz naturel ou de la bio­masse alors que la pro­duc­tion d’engrais ne peut se faire qu’avec de l’hydrogène.
 
Sources et val­ori­sa­tions de l’hydrogène coproduit
 
Aujourd’hui, la con­som­ma­tion d’hydrogène en France est basée sur l’industrie du raf­fi­nage du pét­role, de la pro­duc­tion d’engrais, de la chimie et de la métal­lurgie. Cepen­dant, plus de la moitié de ces 900 000 tonnes d’hydrogène con­som­mées annuelle­ment est d’origine copro­duite. En effet, plusieurs indus­tries en France sont forte­ment pro­duc­tri­ces d’hydrogène sans que ce dernier soit le pro­duit recher­ché par leur procédé de pro­duc­tion. À titre d’exemple, l’industrie du chlore réalise l’électrolyse de la saumure per­me­t­tant l’obtention du pro­duit recher­ché (le chlore), mais génère en par­al­lèle de grandes quan­tités d’hydrogène du fait de la nature de la réac­tion. Ain­si, cette pro­duc­tion représente 51 000  tonnes d’hydrogène par an, soit 6 % de la pro­duc­tion nationale. De la même manière, on pour­ra citer les procédés de pro­duc­tion de coke et de raf­fi­nage des pro­duits pétroliers qui représen­tent respec­tive­ment 14 % et 40 % de la pro­duc­tion nationale d’hydrogène.
 
Par­fois, l’hydrogène copro­duit est util­isé en tant qu’hydrogène matière au sein même du procédé (raf­finer­ie par exem­ple) ou dans des procédés indus­triels voisins (pro­duc­tion d’eau oxygénée). S’agissant d’une val­ori­sa­tion de l’hydrogène pour ses pro­priétés physi­co-chim­iques spé­ci­fiques (hydrogène matière), la valeur com­mer­ciale de cet usage est forte et jus­ti­fie dif­fi­cile­ment une réori­en­ta­tion de cet hydrogène dans la mobilité.En revanche, l’hydrogène copro­duit est par­fois val­orisé sous forme de chaleur (pour pro­duire de la vapeur d’eau), voire rejeté à l’air libre, car il n’existe pas d’autres débouchés économique­ment intéres­sants à prox­im­ité. Dans ce cas de fig­ure, l’hydrogène n’a pas une forte val­ori­sa­tion économique, car d’autres matières pre­mières peu­vent le rem­plac­er, telles que le gaz naturel. Cette con­fig­u­ra­tion rend plus per­ti­nent l’usage de cet hydrogène copro­duit dans la mobil­ité, car l’industriel en retir­era plus de valeur. L’hydrogène copro­duit, ain­si val­orisé sous forme de chaleur représen­tait en 2008 237 000  t/ an (1) soit 650 t d’hydrogène par jour (prin­ci­pale­ment issu de la pro­duc­tion de chlore et de coke). Pour rap­pel, un véhicule par­ti­c­uli­er en con­somme env­i­ron 1 kg/100  km, un bus 10 kg/100 km et une flotte de 50 bus env­i­ron 1 t/jour. La val­ori­sa­tion de ce poten­tiel cor­re­spondrait donc à la con­som­ma­tion de plus de 30 000 bus à hydrogène, soit l’équivalent de la flotte française d’autobus.
 
Enjeux pour la mobilité
 
Pour bien com­pren­dre l’intérêt que représente l’hydrogène copro­duit pour les écosys­tèmes ter­ri­to­ri­aux de mobil­ité hydrogène (pro­duc­tion, dis­tri­b­u­tion, usages), il faut soulign­er que ces derniers doivent aujourd’hui arbi­tr­er quant à la manière de pro­duire l’hydrogène. En effet, l’électrolyse est sou­vent mise en avant pour son faible impact car­bone, mais son prix reste encore élevé et néces­site de pro­duire de grande quan­tité d’hydrogène avec une élec­tric­ité à bas coût pour attein­dre une par­ité de prix car­bu­rant avec le diesel. À l’opposé, le refor­mage du gaz naturel per­met un prix com­péti­tif de l’hydrogène, mais n’apporte qu’une con­tri­bu­tion mod­érée à l’enjeu cli­ma­tique. La val­ori­sa­tion de l’hydrogène copro­duit dans ces écosys­tèmes ter­ri­to­ri­aux de mobil­ité per­met donc de con­cili­er ces deux visions, envi­ron­nemen­tale et économique. L’hydrogène copro­duit util­isé pour la chaleur (voire rejeté à l’air) n’ayant qu’une valeur com­mer­ciale faible, ce dernier peut être ven­du en sor­tie de procédé à un prix très com­péti­tif, inférieur à 3 €/kg (2), voire nul. À titre de com­para­i­son, selon les hypothès­es, le car­bu­rant hydrogène atteint un prix équiv­a­lent au diesel entre 6 et 9 €/kg (3). Cepen­dant, ces chiffres promet­teurs ne doivent pas occul­ter les investisse­ments néces­saires à la sépa­ra­tion, à la purifi­ca­tion, au con­di­tion­nement (com­pres­sion, stock­age), au trans­port et à la dis­tri­b­u­tion, tous néces­saires pour achem­iner un hydrogène de qual­ité jusqu’au réser­voir d’un véhicule. L’équation économique reste toute­fois très intéres­sante et com­péti­tive par rap­port au diesel (4). Au-delà des con­sid­éra­tions d’investissement et de coût d’opération, la val­ori­sa­tion d’un « déchet » relève de l’économie cir­cu­laire. Ain­si, les retombées économiques vont au-delà des avan­tages clas­siques de l’hydrogène (dépol­lu­tion de l’air, réchauf­fe­ment cli­ma­tique, bal­ance énergé­tique), car elles prof­i­tent directe­ment à l’industriel du ter­ri­toire en lui appor­tant une nou­velle source de revenus. À l’inverse, la con­jonc­ture économique glob­ale, et donc le vol­ume d’activité de l’industriel, influera sur le vol­ume d’hydrogène copro­duit étant don­né que ce dernier est directe­ment lié à la pro­duc­tion d’un pro­duit com­mer­cial. Une crise économique glob­ale dimin­u­ant la con­som­ma­tion mon­di­ale de chlore aura de fac­to un impact sur la quan­tité d’hydrogène copro­duit disponible.
 
Le volet environnemental
 
L’intensité car­bone de cet hydrogène va dépen­dre du procédé indus­triel dont il est issu. Dans le cas d’une pro­duc­tion de chlore, il s’agit d’une élec­trol­yse de la saumure et donc d’une con­som­ma­tion d’électricité. En France, avec un mix élec­trique faible­ment car­boné, la copro­duc­tion de l’hydrogène émet donc très peu de CO avec moins de 1 kg de CO par kilo d’hydrogène, soit 10 fois moins que le refor­mage du gaz naturel. L’hydrogène copro­duit issu des cok­eries aura une com­posante car­bone bien plus impor­tante étant don­né qu’il est issu de com­bustibles fos­siles tels que le char­bon. La ques­tion est de savoir s’il est per­ti­nent d’attribuer l’ensemble des émis­sions de CO d’une cok­erie à l’hydrogène, qui n’est pas le pro­duit visé par le procédé prin­ci­pal de pro­duc­tion. La méth­ode couram­ment util­isée dans les analy­ses de cycle de vie pour répon­dre à cette ques­tion est un arbi­trage par valeur com­mer­ciale. Dans le cas de la cok­erie, si les recettes liées à la vente de coke représen­tent 95 % du chiffre d’affaires de la cok­erie et celles liées à la vente d’hydrogène 5 %, alors l’hydrogène portera une empreinte car­bone égale à 5 % des émis­sions de CO de la cok­erie. À l’issue de ce raison­nement pour les cok­eries ou bien dans le cas de la pro­duc­tion du chlore, l’hydrogène copro­duit pos­sède donc une com­posante car­bone rel­a­tive­ment faible vis-à-vis des autres procédés de pro­duc­tion d’hydrogène. Enfin, un point impor­tant est à soulign­er dans le cas où l’hydrogène copro­duit est ini­tiale­ment val­orisé sous forme de chaleur. En effet, même si l’hydrogène est redirigé vers une val­ori­sa­tion dans la mobil­ité, les besoins en chaleur de l’industriel restent, eux, inchangés. Ce dernier devra donc acheter et con­som­mer une quan­tité de gaz naturel (dans le cas d’une chaudière à gaz) sup­plé­men­taire afin de pal­li­er l’absence d’énergie hydrogène désor­mais util­isée dans la mobil­ité. En analyse de cycle de vie, cette con­séquence dite de sub­sti­tu­tion doit être prise en compte dans le cal­cul de l’impact CO. L’impact CO de cette sub­sti­tu­tion reste tout de même inférieur à une pro­duc­tion d’hydrogène par refor­mage du gaz naturel.
 
Pro­jets de territoire
 
Ain­si, la val­ori­sa­tion d’hydrogène copro­duit est un enjeu fort pour la mobil­ité hydrogène en France pour les raisons évo­quées ci-dessus. L’hydrogène copro­duit étant lié à un site indus­triel don­né, il s’agit là d’un poten­tiel avec un ancrage local fort. Des pro­jets tels que Val­hy­date (région Sud Provence-Alpes– Côte d’Azur) ou encore Vhyc­tor (Bour­gogne-Franche-Comté) l’ont bien com­pris et visent ain­si à en démon­tr­er la per­ti­nence économique et envi­ron­nemen­tale. Les sites indus­triels se trou­vant en périphérie des aggloméra­tions, des syn­er­gies fortes sont à trou­ver avec les dépôts de bus qui par­fois se trou­vent à quelques cen­taines de mètres de ces instal­la­tions. L’alimentation de trains de fret, voire de voyageurs, pas­sant à prox­im­ité de ces sites est un autre exem­ple de syn­ergie jus­ti­fi­ant ce type de pro­jets. Enfin, les sites indus­triels sont aus­si des nœuds logis­tiques pour l’approvisionnement des matières pre­mières et l’export des pro­duits. Cette con­fig­u­ra­tion induit des va-et-vient con­stants de camions, voire de bateaux, ces derniers pou­vant aus­si être ali­men­tés par l’hydrogène copro­duit sur le site indus­triel. Une fois dévelop­pés autour d’un site en par­ti­c­uli­er, l’ensemble de ces usages vont mécanique­ment ray­on­ner sur le reste du ter­ri­toire et ain­si jus­ti­fi­er l’implantation d’autres sta­tions avec d’autres moyens de pro­duc­tion, cela per­me­t­tant rapi­de­ment d’amorcer un écosys­tème hydrogène ter­ri­to­r­i­al. L’ensemble du poten­tiel français n’est pas encore val­orisé et que les élus locaux des ter­ri­toires visés ont une carte impor­tante à jouer dans le développe­ment de la mobil­ité hydrogène com­péti­tive. Le fort poten­tiel de l’hydrogène copro­duit souligné dans cet arti­cle ne doit pas ren­vers­er les pri­or­ités d’un pro­jet hydrogène. En effet, l’identification des usages de l’hydrogène, la sen­si­bil­i­sa­tion et le démar­chage des futurs util­isa­teurs de véhicules reste la base de tout pro­jet ter­ri­to­r­i­al. Ce n’est pas la présence d’une sta­tion et d’un hydrogène com­péti­tif qui fera venir spon­tané­ment les usagers ! L’hydrogène copro­duit se présente donc comme un ini­ti­a­teur des dynamiques ter­ri­to­ri­ales à court terme, d’autant que cer­tains de ces gise­ments ne sont à ce jour pas exploités. Bien qu’elles soient aujourd’hui impor­tantes, les quan­tités lim­itées d’hydrogène copro­duit n’occultent pas les autres procédés de pro­duc­tion d’hydrogène qui sont com­plé­men­taires selon les ressources d’un ter­ri­toire (élec­trol­yse en présence de solaire ou d’éolien, pyrogazéi­fi­ca­tion en présence de ressource bio­masse, etc.).
 
Notes
(1) Alain Le Duigou et Mar­i­anne Miguet, « Les marchés de l’hydrogène indus­triel français : sit­u­a­tion en 2008 et per­spec­tives  », L’Actualité chim­ique, n° 347, p. 52–57.
(2) Équiv­a­lent énergé­tique au prix du gaz naturel.
(3) Selon le prix du diesel et de l’efficacité énergé­tique du moteur.
(4) Source EnerKa.

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